在将纤维做成电池且可以充电后,科学家又开始奇思妙想:为什么不充分利用最丰富的能源——太阳能——进行自供电呢?太阳能既清洁,又方便。如今的太阳能电池板还比较笨重,如果将太阳能电池做成纤维就会轻便很多。其实这很简单,只要把光电活性材料和导电的纤维结合起来就可以了,光电活性材料通过吸收光把光能转化成电能,这是太阳能电池的基本原理。如下图中所示,纤维太阳能电池通常采用两种结构:同轴结构和缠绕结构。对于同轴结构的纤维太阳能电池,在一根高曲率的纤维电极表面沉积厚度均匀的多层组分,并且在形变过程中保持多个界面之间的稳定性,这对制备工艺提出了很高的要求;缠绕结构的纤维太阳能电池是将外层电极转换为纤维的形态,活性材料可以分配在两根纤维电极上,降低了多层活性材料制备的工艺难度,是目前纤维电池较广泛采用的一种结构。
纤维太阳能电池的同轴结构和缠绕结构
表征太阳能电池的一个最重要的参数是光电转化效率,即光有百分之多少转化成电,现在纤维太阳能电池的最高光电转换效率已经超过12%。纤维太阳能电池要做成衣服的话,在使用过程中不可避免地会发生弯折,而在弯折过程中它的光电转化效率可以保持不变(即使是在弯折1 000次以后)。如果一件衣服的80%用纤维太阳能电池编织,每天产生的电能可以把36部手机的电充满,能够满足大部分的生活需求。当然,它还可以为智能手环、心率监测仪、血氧仪等可穿戴电子设备连续、有效地供电,实现自供电自运行。这不仅引起了工业界的兴趣,时装界也特别感兴趣,他们认为“智能+时尚”会是可穿戴式技术发展的未来趋势。也许只需5~10年,这种可发电的太阳能电池衣服就可以出现在我们的生活中。
如果把每一根纤维都做成传感器,那么我们就可以随时随地享受体检服务。例如,通过设计活性材料,让每一根纤维对一个生理指标进行检测。当你运动出汗时,穿在身上的衣服就可以分析汗液的化学成分,从而实时监测身体的健康状态。当纤维传感器做得足够柔软的时候,还可以像毛发一样植入身体,甚至是脑部,能够检测很多生理指标。这样的纤维传感器可以用注射器植入身体,很方便,也不会造成任何创伤,当然植入前传感器必须通过从细胞层面到组织层面的生物安全性验证。如果把不同功能的纤维传感器结合起来形成一束大的纤维在末端进行传感,就可以实现动态全方位监测。举例来说,目前血糖检测做得最好的是贴在皮肤上进行检测,但两周是它的使用极限。未来植入式纤维传感器可以使用几个月甚至更长时间,出汗、洗澡等都不会对它产生影响,通过这种完全不影响生活的方式就可以实现血糖的常态化监测。