I mange år laget stoffdesigner Marianne Fairbanks soloppladede håndvesker. Selskapet hennes, Noon Solar, var rettet mot det high-end, bybaserte motemarkedet og solgte på sitt høydepunkt i 30 butikker i USA og Canada. Mens Noon Solar lukket dørene i 2010, var Fairbanks, som begynte i University of Wisconsin-Madison i 2014 som assistentprofessor ved skolen for menneskelig økologi, fortsatt fascinert av konseptet med soldesign.
Da hun ankom campus, oppdaget Fairbanks Trisha Andrew, en adjunkt i organisk kjemi nå ved University of Massachusetts-Amherst. Andrews spesialitet er å utvikle lave solceller til lave priser. Helt konkret hadde hun laget en organisk fargestoffbasert solcelle på papir.
Samarbeidet mellom de to begynte med en uskyldig telefonsamtale.
"Jeg spurte Trish, " sier Fairbanks, "om vi kunne bruke ideen hennes som hun hadde brukt på papir på et tekstil. Og det var slik prosjektet vårt startet. ”
"Måten som dagens bærbare elektronikk blir til, er en enkel prosess for emballasje, " sier Andrew. “En Fitbit eller en Apple-klokke - de har alle et PCB [printkort] som inneholder den lille elektroniske kretsen. Det lar deg "bruke" den enheten, men for meg er det ikke ekte bærbar elektronikk. Det er bare noe som er lappet på et annet materiale. ”
Deres delte lidenskap for solinnovasjon har nå dem til å arbeide for å ferdigstille designen av et soltekstil. Mens Fairbanks planer er å til slutt dyrke et ferdig stoff, håper Andrew å ta det stoffet og faktisk produsere salgbare produkter. Andrew ser for seg stoffpaneler for oppvarmede bilseter eller til og med små solcellepaneler sydd i et større plagg.
Trisha Andrew, venstre og Marianne Fairbanks, til høyre, har utviklet en vevd prototype av soltekstil. (Foto av Jeff Miller / UW-Madison) Historisk har solcellepaneler blitt laget av glass eller plast - materialer som er harde og kan ødelegges ganske enkelt. Forskere henvendte seg først til tekstiler i 2001 i et forsøk på å lage en solenergikomponent som er bøyelig, pustende og fleksibel. Siden den gang har solstoffer blitt innlemmet i stadiondeksler, carport og til og med bærbar kunst, men Andrew og Fairbanks hevder at stoffet deres er overlegent i forhold til andre gruppers pusteevne, styrke og tetthet. Ikke bare har de funnet ut hvordan de kan bruke prosessen sin på alle typer stoff, men fordi dette er et samarbeid mellom forsker og designer, har de også muligheten til å utvide omfanget av soltekstiler i et mer kommersielt, forbrukervennlig marked.
"Det største problemet er at tekstiler, fra et ingeniørfag og kjemi, er at de er utrolig røffe, " sier Andrew. “De er et tredimensjonalt underlag; de er ikke flate. ”
Solcellen deres består av ett lag stoff som har fire strøk med forskjellige polymerer. Den første pelsen er Poly (3, 4-etylendioksythiofen), eller “PEDOT”, som Andrew og hennes forskningsassistent etter doktor, Lushuai Zhang, oppdaget fungerte utrolig bra for å øke stoffets ledningsevne. De tre andre strøkene er forskjellige halvledende fargestoffer, for eksempel blått fargestoff kobberftalocyanin, som fungerer som de fotoaktive lagene eller lysabsorbererne for cellen. Andrew og Fairbanks har oppnådd gjentatt suksess med de to første strøkene, men jobber fremdeles for å lage tre og fire strøk.
Stoffer, i motsetning til glatt og skinnende glass eller plast, er porøse, noe som gjør at jevn belegg med spesifikke polymerer blir litt vanskelig. Hvis du vurderer hvordan et stoffstykke opprettes, består det av flere fibre som er vridd sammen. Hver fiber vil ha et annet nivå av ujevnhet, som fra et kjemisk synspunkt inkluderer flere lysskalaer (nanometer, mikrometer, etc.).
"For å faktisk legge den elektronisk ledende polymeren over den overflaten, må du krysse alle disse forskjellige lysskalaene, " sier Andrew. "Og det er vanskelig."
For å komme rundt dette problemet bestemte Andrew seg for å prøve Chemical Vapor Deposition (CVD), en teknikk som vanligvis er reservert for uorganiske eksperimenter som bruker harde underlag som metaller eller plast. Ved å dra nytte av massetransportegenskapene, eller de generelle fysiske lovene som regulerer bevegelse av masse fra et punkt til et annet, kan Andrew jevnt belegge ethvert vilkårlig stoff, inkludert stoff, fordi nanomaterialene som brukes ikke bryr seg om overflaten på underlaget . Enda bedre, hun bruker PEDOT i et vakuum.
Neste trinn var å bestemme hvilke stoffer som ville fungere best.
"Jeg tok over silke, ull, nylon - alle disse forskjellige underlagene, " sier Fairbanks og legger merke til at materialene var standardprøver fra Jo-Ann Fabrics. For å teste stoffene, belagte de hver og en med PEDOT og andre halvledermaterialer, og koblet dem deretter til elektrodeklemmer og ledninger. De påførte spenning og målte utgangsstrømmen for hver fargeliste.
“Noen av dem ville varme opp og ta energien og omsette den til varme; noen av dem ga ut varmen, men ledet likevel mye lettere, sier Fairbanks.
"Ledningsevnen til PEDOT ble helt bestemt av de underliggende tekstilene, " legger Andrew til. “Hvis vi hadde et porøst tekstil, hadde vi ledningsevne høyere enn kobberet. Hvis vi hadde en veldig uklar tekstil, som uklar bomullstrøye eller ullfilt, eller veldig tett vevde tekstiler, var ledningsevnen til PEDOT virkelig dårlig. ”
Basert på de første eksperimentene, foreslo Andrew en hanskeprotype for å dra nytte av de forskjellige egenskapene til hvert stoff. I hovedsak brukte deres design spesifikke tekstiler til å lede strøm for å varme opp forskjellige deler av hansken. Prototypen er laget av ananasfiber, som er veldig ledende og absorberer varmen, og bomull, som fungerer som en brems for å holde varmen inne i lagene. Dette er den første varen duoen har laget som de håper å markedsføre.
"Det som er virkelig fascinerende med dette samarbeidet, " sier Fairbanks, "er at vi ikke møttes for å lage denne hansken, spesielt. Det var bare en av disse andre sideproduksjonene fra den opprinnelige forskningen. ”
Gjennom prosessen med forskning og utvikling har Andrew og Fairbanks eksperimentert utover den opprinnelige soltekstiltanken, som fremdeles er et arbeid, til en annen solinnovasjon som innebærer å belegge hver enkelt fiber med PEDOT og veving av stykkene for å danne arbeidskretsen. . Dette helt originale stoffet fungerer som en triboelektrisk enhet, og omsetter mekanisk bevegelse til kraft. Duoen har konstruert 10-til-10-tommers fargeprøver av forskjellige vevemønstre, med den mest effektive genererer rundt 400 milliwatt kraft, ved ganske enkelt å vifte den rundt som et lite flagg.
"Hvis du faktisk har laget en standard gardin til et hus, noe 4-til-4-fots, så er det mer enn nok kraft til å lade smarttelefonen din, " sier Andrew og merker at materialet bare trenger en bris som kommer gjennom vinduet å generere det nivået av kraft.
Andrew og Fairbanks samarbeider med flere selskaper innen en rekke bransjer som er interessert i å innlemme disse ideene i fremtidige produkter. Andrew har for eksempel et bevilgning fra flyvåpenet som tar sikte på å produsere soltelt for soldatbruk og har friluftsutstyr i utvikling med Patagonia.
"Jeg blir veldig spent, fordi tekstiler er bærbare og lette, " sier Fairbanks. "De kan bli distribuert i villmarken for en jeger eller i felt for medisinsk eller militær anvendelse på en måte som store klumpete solcellepaneler aldri kunne være."
Fairbanks ser et ubegrenset potensial. Soltekstilet, sier hun, kan brukes til hundrevis av fremtidige bruksområder, inkludert parasoller, markiser og tilfluktsrom, mens triboelektrisk stoff kan brukes i husholdningsapparater eller sportsutstyr, for eksempel løpeskjorter og tennissko - alt som krever bevegelse siden det er slik det genererer kraft.
"Jeg er spent på å få den 100 prosent til å fungere og ut i verden, " sier Fairbanks.
