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Une chimiste et un concepteur font équipe pour tisser des panneaux solaires dans un tissu

Pendant des années, la créatrice de tissus Marianne Fairbanks a fabriqué des sacs à main à charge solaire. Sa société, Noon Solar, était axée sur le marché de la mode haut de gamme basé en ville et vendait à son apogée dans 30 magasins aux États-Unis et au Canada. Alors que Noon Solar fermait ses portes en 2010, Fairbanks, qui avait rejoint l'Université de Wisconsin-Madison en 2014 en tant que professeur adjoint à l'école d'écologie humaine, était toujours intrigué par le concept de conception solaire.

À son arrivée sur le campus, Fairbanks découvrit Trisha Andrew, professeure adjointe de chimie organique à l’université de Massachusetts-Amherst. Andrew se spécialise dans le développement de cellules solaires légères et à faible coût. Elle avait notamment créé une cellule solaire à base de colorant organique sur du papier.

La collaboration entre les deux a commencé par un appel téléphonique innocent.

“J'ai demandé à Trish, ” dit Fairbanks, “si nous pouvions appliquer son idée qu'elle avait utilisé du papier sur un textile. Et c'est comme ça que notre projet a commencé.

«La manière dont l'électronique portable est créée aujourd'hui est un processus simple d'emballage», explique Andrew. “Une montre Fitbit ou une montre Apple — elles ont toutes un PCB [circuit imprimé], qui contient le petit circuit électronique. Cela vous permet de "porter" cet appareil, mais pour moi ce n'est pas une vraie électronique portable. Ce n'est que quelque chose qui est patché sur un autre matériau. "

Leur passion commune pour l'innovation solaire les amène maintenant à finaliser la conception d'un textile solaire. Bien que Fairbanks envisage de cultiver un tissu fini, Andrew espère le prendre et fabriquer des produits commercialisables. Andrew envisage des panneaux de tissu pour sièges de voiture chauffants ou même de petits panneaux solaires cousus dans un vêtement plus grand.

Trisha-Andrew-Marianne-Fairbanks.jpg Trisha Andrew, à gauche, et Marianne Fairbanks, à droite, ont mis au point un prototype de textile solaire tissé. (Photo par Jeff Miller / UW-Madison)

Historiquement, les panneaux solaires ont été fabriqués en verre ou en plastique, des matériaux durs qui peuvent être détruits assez facilement. Les chercheurs se sont d'abord tournés vers les textiles en 2001 dans le but de créer un composant solaire souple, respirant et flexible. Depuis lors, des tissus solaires ont été incorporés aux revêtements de stades, aux abris de voitures et même à l'art vestimentaire, mais Andrew et Fairbanks affirment que leurs tissus sont supérieurs à ceux des autres groupes en termes de respirabilité, de résistance et de densité. Non seulement ont-ils découvert comment utiliser leur processus sur n'importe quel type de tissu, mais étant une collaboration entre scientifique et designer, ils ont également la possibilité d'élargir la portée des textiles solaires sur un marché plus commercial et plus convivial.

«Le plus gros problème est que les textiles, du point de vue de l'ingénierie et de la chimie, sont incroyablement rudes», déclare Andrew. «Ils sont un substrat en trois dimensions; ils ne sont pas plats. "

Leur cellule solaire est constituée d'une couche de tissu composée de quatre couches de polymères différents. La première couche est du poly (3, 4-éthylènedioxythiophène), ou «PEDOT», qu'Andrew et son assistante de recherche post-doctorante, Lushuai Zhang, ont remarquablement bien fonctionnée pour augmenter la conductivité d'un tissu. Les trois autres couches sont constituées de divers colorants semi-conducteurs, tels que la phtalocyanine de cuivre au colorant bleu, qui agissent en tant que couches photoactives ou absorbeurs de lumière pour la cellule. Andrew et Fairbanks ont obtenu des succès répétés avec les deux premiers manteaux mais travaillent toujours sur les plis des manteaux trois et quatre.

Les tissus, contrairement au verre ou au plastique lisse et brillant, sont poreux, ce qui rend leur revêtement uniforme avec des polymères spécifiques un peu délicat. Si vous considérez comment un morceau de tissu est créé, il est composé de plusieurs fibres torsadées. Chaque fibre aura un niveau de rugosité différent, ce qui, du point de vue de la chimie, comprend plusieurs échelles de lumière (nanomètre, micromètre, etc.).

«Pour pouvoir appliquer le polymère électroniquement conducteur sur cette surface, vous devez traverser toutes ces différentes échelles de lumière», déclare Andrew. "Et c'est dur."

Pour résoudre ce problème, Andrew a décidé d'essayer le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), une technique généralement réservée aux expériences sur les substances inorganiques utilisant des substrats durs comme les métaux ou les plastiques. En tirant parti des propriétés de transport de masse ou des lois physiques générales régissant le mouvement de la masse d'un point à un autre, Andrew peut revêtir uniformément toute substance arbitraire, y compris le tissu, car les nanomatériaux utilisés ne tiennent pas compte de la surface du substrat. . Mieux encore, elle applique le PEDOT dans le vide.

L'étape suivante consistait à déterminer quels tissus fonctionneraient le mieux.

«J'ai apporté de la soie, de la laine, du nylon, tous ces substrats différents», explique Fairbanks, notant que les matériaux étaient des échantillons standard de Jo-Ann Fabrics. Pour tester les tissus, ils ont enduit chacun d'eux avec du PEDOT et d'autres matériaux semi-conducteurs, puis les ont raccordés à des pinces à électrode et à des fils. Ils ont appliqué une tension et mesuré le courant de sortie pour chaque nuance.

«Certains d’entre eux se réchauffaient, prenaient l’énergie et la traduisaient en chaleur; certains d'entre eux distribuaient de la chaleur, mais conduisaient beaucoup plus facilement », explique Fairbanks.

«La conductivité du PEDOT a été entièrement déterminée par les textiles sous-jacents», ajoute Andrew. «Si nous avions un textile poreux, nous aurions une conductivité supérieure à celle du cuivre. Si nous avions un textile très flou, comme du jersey de coton ou du feutre de laine, ou des textiles très étroitement tissés, la conductivité du PEDOT était vraiment mauvaise. ”

Sur la base de leurs expériences initiales, Andrew a proposé un prototype de gant pour tirer parti des diverses propriétés de chaque tissu. Leur conception utilisait essentiellement des textiles spécifiques pour conduire l'électricité afin de réchauffer différentes parties du gant. Le prototype est fabriqué à partir de fibres d’ananas, très conductrices et absorbant la chaleur, et de coton, qui freine la chaleur entre les couches. C’est le premier article que le duo a créé et qu’il espère commercialiser.

«Ce qui est vraiment fascinant dans cette collaboration», explique Fairbanks, «c'est que nous ne nous sommes pas réunis pour créer ce gant, spécifiquement. C’était juste l’un de ces autres produits de la recherche initiale. »

Au cours du processus de recherche et développement, Andrew et Fairbanks ont expérimenté au-delà de leur idée de textile solaire initiale, qui est toujours un travail en cours, une autre innovation solaire consistant à revêtir chaque fibre individuelle avec du PEDOT et à tisser les pièces ensemble pour former le circuit de travail. . Ce tissu totalement original fonctionne comme un dispositif triboélectrique, traduisant le mouvement mécanique en puissance. Le duo a construit des échantillons de différents motifs de tissage de 10 x 10 pouces, le plus efficace générant environ 400 milliwatts de puissance, en le faisant simplement onduler comme un petit drapeau.

«Si vous fabriquez un rideau standard pour une maison, quelque chose de 4 pieds sur 4, c'est plus que suffisamment de puissance pour recharger votre smartphone», déclare Andrew, soulignant que le matériau n'aurait besoin que d'un souffle de brise à travers la fenêtre. pour générer ce niveau de puissance.

Andrew et Fairbanks travaillent avec plusieurs sociétés de divers secteurs intéressés par l'intégration de ces idées dans leurs futurs produits. Andrew, par exemple, bénéficie d'une subvention de la Force aérienne destinée à la fabrication de tentes solaires à l'usage des soldats. Son équipement de plein air est en cours de développement avec Patagonia.

«Je suis vraiment excité parce que les textiles sont portables et légers», déclare Fairbanks. "Ils pourraient être déployés dans la nature pour un chasseur ou sur le terrain pour des applications médicales ou militaires, d'une manière que de grands panneaux solaires encombrants ne pourraient jamais être."

Fairbanks voit un potentiel illimité. Le textile solaire, dit-elle, pourrait être utilisé dans des centaines d'applications futures, notamment les parapluies, les auvents et les abris pour réfugiés, tandis que le tissu triboélectrique pourrait être utilisé dans des articles ménagers ou du matériel d'athlétisme, comme des chemises de course et des chaussures de tennis. c'est comme ça que ça génère de l'énergie.

«Je suis enthousiaste à l'idée de le faire fonctionner à 100% et de le faire connaître au monde», a déclaré Fairbanks.

Une chimiste et un concepteur font équipe pour tisser des panneaux solaires dans un tissu