Solarzellen für Wearables Wasch- und dehnbar - medizin&technik - Ingenieurwissen für die Medizintechnik

Solarzellen für Wearables

Wasch- und dehnbar

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Die ultradünnen organischen Solarzellen überstehen locker 20 Waschgänge (Bild: RIKEN)
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Forscher entwickeln einen neuen Typ von ultra-dünnen Solarmodulen, die dehnbar und wasserfest zugleich sind. Sie könnten wie ein Aufdruck direkt auf dem Stoff sitzen und sind durch eine besondere Beschichtung geschützt.

All die vielen digitalen Helfer des Alltags – vom Smartphone bis zum Sensorarmband – eint eines: Sie brauchen Strom. Bisher kommt dieser in der Regel aus der Steckdose und wird in den Akkus der Geräte gespeichert. Japanische Wissenschaftler vom Forschungszentrum Riken und von der University of Tokyo haben nun jedoch organische Solarzellen entwickelt, die selbst 20 Waschgänge verkraften, ohne kaputt zu gehen. Damit wäre eine unabhängige Stromversorgung verschiedenster Anwendungen möglich.

In der Vergangenheit wurde bereits versucht, Solarzellen in Textilien zu verarbeiten, doch die Ansätze scheiterten. „Geeignete Stromquellen müssen drei wichtige Eigenschaften besitzen: Sie müssen energieeffizient sein, Umwelteinflüssen wie Luft und Wasser widerstehen und mechanisch robust sein – vor allem sehr dehnbar“, erklären Hiroaki Jinno vom japanischen Forschungszentrum Riken und seine Kollegen.

Dünn, flexibel und wasserfest

Die Forscher haben nun extrem dünne und flexible organische Solarzellen entwickelt, die auf einem Material basieren, das PNTz4T genannt wird. Diese Zellen packten sie in eine ebenfalls zuvor entwickelte inverse Architektur auf einen 1µm dünnen, elastischen Parylen-Film. Parylen ist ein wasserabweisendes transparentes Polymer. Diesen ultradünnen Stromerzeuger überzogen sie mit einem Elastomer auf Acrylbasis – damit waren beide Seiten vor Wasser geschützt. Das Elastomer ist lichtdurchlässig und verhindert gleichzeitig, dass Wasser oder Luft an die Solarzellen gelangen. Dadurch werden diese langlebiger.

Die so geschützte Anwendung weist eine gute Energieeffizienz von 7,9 % auf. Bei einer Simulation von Sonnenlicht einer Stärke von 100 mW/cm2 erzeugten die winzigen Solarmodule einen Strom von 7,86 mW/cm2 und 13,8 mA/ cm2 bei 0,75 V. Das ist nicht herausragend viel, könnte aber für kleine tragbare Sensoren und Wearables reichen.

Auch nach 20 Wäschen noch 80 Prozent Leistung

Auch die Robustheit der Mini-Solarmodule lässt nichts zu wünschen übrig: Selbst nach 2 Stunden im Wasser sank die Energieeffizienz nur um 5,4 %. Und auch nach 20 simulierten Waschgängen und den damit zusammenhängenden mechanischen Beanspruchungen behielten diese 80 % ihrer ursprünglichen Effizienz bei. „Wir hoffen, dass unsere waschbaren, leichten und dehnbaren organischen Photovoltaikmodule ganz neue Möglichkeiten als Stromquellen für tragbare Sensoren und andere Wearables eröffnen“, sagt Koautor Kenjiro Fukuda vom Riken-Forschungszentrum. Forschungsleiter Takao Someya sieht ein breites Anwendungsfeld in Wearables, die Sensoren enthalten, welche zum Beispiel den Herzschlag und die Körpertemperatur messen, um frühzeitig bei medizinischen Problemen warnen zu können.

www.riken.jp/en/pr/press/2017/20170919_2/

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