TeSK – Entwicklung textilbasierter, lumineszierender Solarkonzentratoren

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502457
• Projekttitel Englisch: TeSK – Development of textile-based luminescent solar concentrators

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Tragbare elektronische Geräte werden immer häufiger benutzt; dementsprechend grösser wird der Bedarf an erneuerbaren und allgegenwärtigen Stromquellen, die es erlauben, der ökologische Fussabdruck zu reduzieren und "net zero" Ziele zu erreichen. Die konventionelle Fotovoltaik kann viele dieser Anforderungen erfüllen; trotzdem gibt es Einschränkungen, wenn sie zusammen mit Textilien benutzt werden: in den mechanischen Eigenschaften, der Wirkungsgrad der Energiegewinnung, und wegen der Komplexität der Materialien sowie Herstellungsprozesse. Lumineszierende Solarkonzentratoren (LSCs) können eine verbreitete und effizientere Benutzung der Sonnenenergie zu gewährleisten. Jedoch ist die Forschung in der Verbindung von LSCs mit Textilien und tragbare Fotovoltaik erst anfangend. In TeSK werden wir die Eigenschaften unserer biegsamen, tragbaren LSCs verbessern und sie auf Textilien einbringen um echte textile Energiegewinnungssysteme zu entwickeln für Anwendungen wie Gesundheitsüberwachung.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The continuous increase in the use of wearable electronics demands sources of energy that are available everywhere; the economic and societal pressure for reducing the ecological footprint and reaching "net zero" goals requires that these sources be renewable and utilize residual energy. Although conventional photovoltaics fulfill many of these requirements, there are several limitations when translating them to textiles: mechanical properties (flexibility), energy harvesting efficiency, as well as the complexity in material choice and processing. Luminescent solar concentrators (LSCs) will enable more widespread and efficient use of solar energy; however, their investigation in connection with textiles and wearable photovoltaics is only incipient. In TeSK, we want to close this gap by improving the properties of our flexible, wearable LSCs and integrating them into tex-tiles towards the development of truly textile energy harvesting systems for applications in health monitoring.

Schlussbericht (Deutsch)

Bei TeSK haben wir uns zum Ziel gemacht, die Eigenschaften unserer flexiblen und tragbaren lumineszierenden Solarkonzentratoren (wLSCs) zu verbessern und sie in Textilien zu integrieren, um textile Energiegewinnungssysteme zu entwickeln. Wir haben die optischen, mechanischen und stabilitätsbezogenen Eigenschaften mehrerer Systeme untersucht und eine Formulierung ausgewählt, die aus einem wasserbasierten Polymer und einem wasserlöslichen Farbstoff besteht, die beide bereits in der Textilindustrie verwendet werden. Die wLSCs konnten mit Hilfe von Standardverfahren der Textilverarbeitung (Tropfenabguss und Stabbeschichtung) hergestellt werden und in Textilien integriert werden. Der endgültige Demonstrator wurde unter Verwendung von Polyester als Basistextil und Polyurethan oder Siloxan als Führungsschicht realisiert. Aufgrund der spektralen Übereinstimmung und der Flexibilität dieser Module konnten die kleinen Perowskit-Solarzellenmodule mit den wLSCs gekoppelt werden. Das hier entwickelte textile Energiegewinnungssystem konnte eine Leistungsdichte von bis zu 5,7 W/m² erzeugen, was einer optischen Geräteeffizienz von etwa 10 % entspricht, ein Wert, der mit den besten starren lumineszierenden Solarkonzentratoren für gebäudeintegrierte Photovoltaik vergleichbar ist.

Schlussbericht (Englisch)

In TeSK, we aimed at improving the properties of our flexible, wearable luminescent solar concentrators (wLSCs) and integrating them into textiles towards the development of truly textile energy harvesting systems. We evaluated the optical, mechanical, and stability properties of several systems and selected a formulation composed of a waterborne polymer and a water-soluble dye, both of which are already in use by the textile industry. The wLSCs could be prepared and incorporated on textiles using standard textile processing techniques (drop-casting and bar-coating). The final demonstrator was built using polyester as a base textile and polyurethane or siloxane as the guiding layer. Small-sized perovskite solar cell modules were chosen to be coupled to the wLSCs, both due to the matching of the wavelengths and to the flexibility of these modules. The textile energy harvesting system developed here could generate up to 5.7 W/m² of power density, corresponding to approximately 10% optical device efficiency, a value in line with the best rigid luminescent solar concentrators for building-integrated photovoltaics.

Zugehörige Dokumente

• Final report [PDF] 2'557 kB

Schlussbericht (Französisch)

Au sein du TeSK, nous avons cherché à améliorer les propriétés de nos concentrateurs solaires luminescents flexibles et portables (wLSC) et à les intégrer dans des textiles afin de développer de véritables systèmes de récupération d'énergie textiles. Nous avons évalué les propriétés optiques, mécaniques et de stabilité de plusieurs systèmes et avons sélectionné une formulation composée d'un polymère à base d'eau et d'un colorant hydrosoluble, tous deux déjà utilisés dans l'industrie textile. Les wLSC ont pu être préparés et incorporés dans des textiles à l'aide de techniques de traitement textile standard (drop-casting et bar-coating). Le démonstrateur final a été construit en utilisant du polyester comme textile de base et du polyuréthane ou du siloxane comme couche de guidage. De petits modules de cellules solaires en pérovskite ont été choisis pour être couplés aux wLSC, à la fois en raison de l'adéquation des longueurs d'onde et de la flexibilité de ces modules. Le système de collecte d'énergie textile développé ici pourrait générer jusqu'à 5,7 W/m² de densité de puissance, ce qui correspond à environ 10 % d'efficacité optique, une valeur conforme aux meilleurs concentrateurs solaires luminescents rigides pour les systèmes photovoltaïques des bâtiments.