Selama bertahun-tahun, perancang kain Marianne Fairbanks membuat tas bermuatan solar. Perusahaannya, Noon Solar, diarahkan pada pasar mode berbasis kota yang canggih, dan, pada puncaknya, menjual di 30 toko di Amerika Serikat dan Kanada. Sementara Noon Solar menutup pintunya pada tahun 2010, Fairbanks, yang bergabung dengan University of Wisconsin-Madison pada tahun 2014 sebagai asisten profesor di sekolah ekologi manusia, masih tertarik dengan konsep desain surya.
Begitu dia tiba di kampus, Fairbanks menemukan Trisha Andrew, asisten profesor kimia organik sekarang di Universitas Massachusetts-Amherst. Keahlian Andrew adalah mengembangkan sel surya ringan dan murah. Secara khusus, dia telah menciptakan sel surya berbasis pewarna organik di atas kertas.
Kolaborasi antara keduanya dimulai dengan panggilan telepon yang tidak bersalah.
“Saya bertanya kepada Trish, ” kata Fairbanks, “jika kita dapat menerapkan idenya yang dia gunakan di atas kertas pada tekstil. Dan begitulah proyek kami dimulai. ”
"Cara elektronik yang dapat dipakai hari ini dibuat adalah proses pengemasan yang sederhana, " kata Andrew. “Sebuah Fitbit atau arloji Apple — semuanya memiliki PCB [papan sirkuit tercetak], yang memegang sirkuit elektronik kecil. Ini memungkinkan Anda untuk 'memakai' perangkat itu, tetapi bagi saya itu bukan barang elektronik yang bisa dipakai. Itu hanya sesuatu yang ditambal ke bahan lain. "
Gairah bersama mereka untuk inovasi surya sekarang membuat mereka bekerja untuk menyelesaikan desain tekstil surya. Sementara rencana Fairbanks adalah untuk akhirnya menumbuhkan kain jadi, Andrew berharap untuk mengambil kain itu dan benar-benar memproduksi produk yang dapat dipasarkan. Andrew membayangkan panel kain untuk kursi mobil yang dipanaskan atau bahkan panel surya kecil yang dijahit menjadi pakaian yang lebih besar.
Trisha Andrew, kiri, dan Marianne Fairbanks, kanan, telah mengembangkan prototipe tekstil-anyaman. (Foto oleh Jeff Miller / UW-Madison) Secara historis, panel surya terbuat dari kaca atau plastik — bahan yang keras dan dapat dihancurkan dengan mudah. Para peneliti pertama kali beralih ke tekstil pada tahun 2001 dalam upaya untuk menciptakan komponen surya yang lentur, bernapas dan fleksibel. Sejak itu, kain surya telah dimasukkan ke dalam penutup stadion, carport, dan bahkan seni yang dapat dikenakan, tetapi Andrew dan Fairbanks mengklaim bahwa kain mereka lebih unggul dari pada kelompok lain dalam hal kemampuan bernapas, kekuatan dan kepadatan. Mereka tidak hanya menemukan cara memanfaatkan proses mereka pada semua jenis kain, tetapi karena ini adalah kolaborasi antara ilmuwan dan desainer, mereka juga memiliki kemampuan untuk memperluas ruang lingkup tekstil surya dalam pasar yang lebih komersial, ramah konsumen.
"Masalah terbesar adalah bahwa tekstil, dari masalah teknik dan kimia, adalah bahwa mereka sangat kasar, " kata Andrew. “Mereka adalah substrat tiga dimensi; mereka tidak rata. "
Sel surya mereka terdiri dari satu lapisan kain yang memiliki empat lapisan polimer berbeda. Lapisan pertama adalah Poly (3, 4-ethylenedioxythiophene), atau "PEDOT", yang Andrew dan asisten peneliti pasca-dokumentasinya, Lushuai Zhang, ditemukan bekerja sangat baik untuk meningkatkan konduktivitas kain. Tiga mantel lainnya adalah berbagai pewarna semikonduktor, seperti phthalocyanine tembaga pewarna biru, yang bertindak sebagai lapisan fotoaktif atau peredam cahaya untuk sel. Andrew dan Fairbanks telah mencapai kesuksesan berulang dengan dua mantel pertama tetapi masih mengerjakan kekusutan untuk mantel tiga dan empat.
Kain, tidak seperti kaca atau plastik yang halus dan mengkilap, berpori, yang membuat pelapisan secara merata dengan polimer tertentu agak sulit. Jika Anda mempertimbangkan bagaimana sepotong kain dibuat, itu terdiri dari beberapa serat yang dipilin menjadi satu. Setiap serat akan memiliki tingkat kekasaran yang berbeda, yang, dari sudut pandang kimia, mencakup beberapa skala cahaya (nanometer, mikrometer, dll.).
"Untuk benar-benar meletakkan polimer konduktif elektronik di atas permukaan itu, Anda harus melintasi semua skala cahaya yang berbeda ini, " kata Andrew. "Dan itu sulit."
Untuk mengatasi masalah ini, Andrew memutuskan untuk mencoba Chemical Vapor Deposition (CVD), teknik yang biasanya disediakan untuk eksperimen anorganik yang menggunakan substrat keras seperti logam atau plastik. Dengan mengambil keuntungan dari sifat-sifat transportasi massa, atau hukum fisik umum yang mengatur pergerakan massa dari satu titik ke titik lainnya, Andrew dapat secara seragam melapisi zat sewenang-wenang, termasuk kain, karena bahan nano yang digunakan tidak peduli dengan permukaan substrat. . Lebih baik lagi, dia menerapkan PEDOT di dalam ruang hampa.
Langkah selanjutnya adalah menentukan kain mana yang paling cocok.
“Saya membawa sutra, wol, nilon — semua substrat yang berbeda ini, ” kata Fairbanks, mencatat bahwa bahan-bahan tersebut adalah sampel standar dari Jo-Ann Fabrics. Untuk menguji kain, mereka melapisi masing-masing dengan PEDOT dan bahan semikonduktor lainnya, kemudian mengaitkannya ke klip elektroda dan kabel. Mereka menerapkan voltase dan mengukur arus keluaran untuk setiap swatch.
“Beberapa dari mereka akan melakukan pemanasan dan mengambil energi dan menerjemahkannya menjadi panas; beberapa dari mereka mengeluarkan panas, namun melakukan jauh lebih mudah, ”kata Fairbanks.
"Konduktivitas PEDOT sepenuhnya ditentukan oleh tekstil yang mendasarinya, " tambah Andrew. “Jika kami memiliki tekstil berpori, konduktivitas kami lebih tinggi daripada tembaga. Jika kami memiliki tekstil yang sangat kabur, seperti kaus katun atau wol dari bahan fuzzy, atau kain tenun yang sangat rapat, maka konduktivitas PEDOT benar-benar buruk. ”
Berdasarkan percobaan awal mereka, Andrew mengusulkan prototipe sarung tangan untuk mengambil keuntungan dari berbagai sifat dari setiap kain. Pada dasarnya, desain mereka menggunakan tekstil khusus untuk menghantarkan listrik untuk menghangatkan berbagai bagian sarung tangan. Prototipe terbuat dari serat nanas, yang sangat konduktif dan menyerap panas, dan kapas, yang bertindak sebagai rem untuk menjaga panas yang terkandung di antara lapisan. Ini adalah item pertama yang dibuat oleh duo yang mereka harapkan untuk benar-benar dipasarkan.
“Apa yang sangat menarik tentang kolaborasi ini, ” kata Fairbanks, “adalah bahwa kami tidak bersama-sama menciptakan sarung tangan ini, khususnya. Itu hanya salah satu dari hasil samping lain dari penelitian asli. "
Melalui proses penelitian dan pengembangan, Andrew dan Fairbanks telah bereksperimen di luar ide awal tekstil surya mereka, yang masih dalam proses, hingga inovasi surya lainnya yang melibatkan pelapisan setiap serat individu dengan PEDOT dan menenun potongan-potongan bersama untuk membentuk sirkuit kerja . Kain yang sepenuhnya asli ini berfungsi seperti perangkat triboelektrik, menerjemahkan gerakan mekanis menjadi kekuatan. Duo ini telah membangun swatch 10-oleh-10-inci dari pola menenun yang berbeda, dengan yang paling efisien menghasilkan sekitar 400 miliwatt daya, dengan hanya melambaikannya seperti bendera kecil.
"Jika Anda benar-benar membuat tirai standar untuk rumah, sesuatu 4-kali-4-kaki, maka itu lebih dari cukup daya untuk mengisi daya ponsel cerdas Anda, " kata Andrew, mencatat bahwa bahan tersebut hanya membutuhkan angin yang masuk melalui jendela untuk menghasilkan tingkat kekuatan itu.
Andrew dan Fairbanks bekerja dengan beberapa perusahaan dalam berbagai industri yang tertarik untuk menggabungkan ide-ide ini ke dalam produk masa depan. Andrew, misalnya, memiliki hibah Angkatan Udara yang bertujuan memproduksi tenda surya untuk digunakan tentara dan memiliki perlengkapan outdoor yang sedang dikembangkan bersama Patagonia.
“Saya menjadi sangat bersemangat, karena tekstil itu portabel dan ringan, ” kata Fairbanks. "Mereka bisa dikerahkan di hutan belantara untuk pemburu atau di lapangan untuk aplikasi medis atau militer dengan cara yang tidak pernah bisa dilakukan oleh panel surya kikuk besar."
Fairbanks melihat potensi tanpa batas. Tekstil matahari, katanya, dapat digunakan untuk ratusan aplikasi masa depan, termasuk payung, tenda dan tempat penampungan pengungsi, sementara kain triboelektrik dapat digunakan dalam peralatan rumah tangga atau peralatan olahraga, seperti kaos lari dan sepatu tenis — apa pun yang membutuhkan gerakan sejak begitulah ia menghasilkan kekuatan.
"Saya senang bisa berfungsi 100 persen dan keluar ke dunia, " kata Fairbanks.
