Etwa seit dem Jahr 2010 macht eine neue Geräteklasse in größerem Maßstab von sich reden: Sogenannte Wearables sind elektronische Kleingeräte, die mittels integrierter Sensorik physische, physiologische sowie Umgebungsdaten messen können. In hochentwickelten Ländern liegt der Anteil der Nutzer bereits bei etwa 20 bis 25 Prozent, Tendenz steigend. Wearables sind vielfältig und innovativ: Neben den weitverbreiteten Fitness-Trackern und Smartwatches gibt es auch smarte Kleidung (E-Textilien) und medizinische Wearables im engeren Sinne. Auch Gadgets in Form von Datenbrillen, Ringen, Halsketten, Handschuhen und Schuhen gehören dazu.
Ebenso weitgefächert sind die Anwendungsbereiche: Von der Überwachung der Gesundheit (z.B. Herzfrequenz, EKG, Schlafmonitoring) über Sport und Fitness (Schrittzähler, Kalorienverbrauch, Sauerstoffsättigung im Blut etc.) bis hin zu speziellen Einsatzzwecken in der Industrie (Exoskelette, Belastungsmessung), Medizin (Sensorpflaster, smarte Inhalatoren etc.) und beim Militär (Vitalparameter-Tracking bei Soldaten).
Que sont les pérovskites ?
In jedem Wearable stecken verschiedene Sensoren zur Bewegungserkennung. Beschleunigungssensoren erfassen Bewegungen in den drei Raumachsen; Gyroskope messen Drehbewegungen; GPS, GNSS und barometrische Höhenmesser sammeln Daten über die Position im (dreidimensionalen) Raum. Zu diesen physischen Sensoren gehören auch Temperatur- und UV-Sensoren, die weitere Umgebungsdaten beisteuern.
Um darüber hinaus physiologische Daten wie Herzfrequenz, Kalorienverbrauch oder bestimmte Gehirnaktivitäten zu messen, sind spezielle Sensortechnologien erforderlich. Sogenannte PPG-Sensoren (Photoplethysmographie) arbeiten mit LEDs am Wearable, die Licht durch die Haut schicken und anhand der Reflexion den Puls bestimmen können. Ähnlich funktioniert ein Pulsoxymeter: Aus den Wellenlängen des reflektierten Lichts lässt sich die Sauerstoffsättigung im Blut bestimmen. Noch in der Entwicklung sind tragbare Bioimpedanzsensoren, die Aufschluss über die Körperzusammensetzung geben (Fett, Wasser, Muskeln etc.). Wegen der hochfrequenten Signale ist der Energiebedarf solcher Sensoren höher, was Herausforderungen bei der Integration in ein Wearable mit sich bringt.
Le matériau appelé « pérovskite » (qui doit son nom à un minéralogiste russe) désigne à l’origine l’oxyde de calcium et titane (Ca2TiO3) également appelé titanate de calcium. L’acception du terme a par la suite été étendue à des matériaux présentant une structure cristalline particulière comparable (orthorhombique à cubique). Les pérovskites sont donc des matériaux de structure ABX3, où A, B et X peuvent représenter des éléments et composés différents. Un panneau solaire à base de pérovskite (Pk) contient, outre la couche de Pk, encore de nombreux composants : la stratification optimale, offrant la meilleure stabilité mécanique et le rendement le plus élevé possible est étudiée par de nombreux laboratoires de recherche et entreprises dans le monde entier.
Les avantages des panneaux solaires en pérovskite
Les panneaux en Pk offrent une série d’avantages qui les rendent attractifs comme alternative aux cellules en silicium. De 2009 à 2024, le rendement en laboratoire des cellules en Pk est passé de 3,8 à 26,1 %, ce qui lui fait presque égaler le rendement le plus élevé jamais atteint par des cellules en Si (26,8 %). Toutefois, si les cellules en Si convertissent surtout la lumière rouge et infrarouge, celles en pérovskite peuvent aussi utiliser des longueurs d’onde lumineuse plus courtes. La démarche la plus prometteuse paraît donc consister en ceci : combiner des couches en Pk et en Si pour exploiter le plus possible l’intégralité du spectre lumineux pour en extraire de l’énergie – nous allons revenir plus loin sur ces panneaux solaires en tandem.
À la fabrication, les pérovskites requièrent nettement moins d’énergie que le silicium, lequel a besoin de températures supérieures à 1000 °C, et vu la finesse des couches, il faut beaucoup moins de matière (facteur 100 !) Les panneaux en Pk sont d’une installation plus flexible et s’accompagnent d’options supplémentaires dont la configuration de la couleur et la transparence. De la sorte, les panneaux en Pk sont attractifs pour de nombreuses surfaces qui ne peuvent pas être recouvertes avec des panneaux en Si, par exemple les murs des maisons, les toits à faible capacité de charge et de nombreuses autres surfaces.
Eine Herausforderung im Betrieb stellt die Energieversorgung von Wearables dar. Um laufend Echtzeitdaten erfassen zu können, sind lange Akkulaufzeiten und geringer Energieverbrauch gefragt bei gleichzeitig stark limitiertem Platzangebot für die Integration einer Batterie. Unterstützen können hier Methoden des sogenannten Energy Harvesting: In Wearables verbaute Nanogeneratoren erzeugen Strom aus der Umgebung oder der Nähe zum menschlichen Körper. Die entsprechenden Technologien sind noch in der Entwicklung und reichen von Mikro-Photovoltaik über Bio-Brennstoffzellen (z.B. Energiegewinnung aus Schweiß) bis hin zur Energiegewinnung aus Bewegung und Berührung (piezoelektrisch oder triboelektrisch); auch die Nutzung der Luftfeuchtigkeit (hydroelektrischer Effekt) wird erforscht.
Kritisch ist auch das Thema Datensicherheit. Wearables sammeln sensible körperbezogene Daten, die nicht in die falschen Hände oder an die Öffentlichkeit geraten sollten. Wie unter anderen das Bundesamt für die Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) warnt, kann ein Identitäts- oder Datendiebstahl zu finanziellen Schäden und Imageverlust führen. Im medizinischen Bereich besteht darüber hinaus die Gefahr der Manipulation der auf dem Wearable angezeigten Daten – mit der Folge ernsthafter Gesundheitsgefährdung, zum Beispiel bei der Selbstmedikation. Das BSI rät daher, auf sichere Hard- und Software von Wearables zu achten und bei der Nutzung bewusst Sicherheitsrisiken zu berücksichtigen (z.B. bei der Vernetzung mit anderen Geräten).
Quels sont les défis en présence ?
Jusqu’à présent, presque tous les records en matière de rendement et les acquis en matière de conception ont été atteints avec des panneaux en pérovskite en laboratoire et sur de petites surfaces – le passage à une autre échelle et l’industrialisation ne sont pas encore pour tout de suite. Le problème principal, dans la pratique, réside dans la conservation et la robustesse des panneaux en Pk : ils sont plus sensibles à l’humidité et aux facteurs environnementaux que les panneaux en Si (durée de vie d’env. 25-30 ans), de sorte qu’actuellement leur durée de vie est estimée entre quelques mois et un petit nombre d’années.
Actuellement une recherche intensive est en cours pour accroître la durée de vie. Il existe à ce titre plusieurs démarches telles que la restriction de la mobilité des ions, la réduction des réactions chimiques (par encapsulage) et l’utilisation de couches-limites plus robustes. Dans un article publié dans Nature en début d’année, des chercheurs chinois décrivent comment ils ont réussi à créer des panneaux en Pk stables via un mouvement restreint et contrôlé des ions sur la couche de pérovskite, panneaux qui ont aussi donné de très bons résultats au cours de tests sous contraintes de longue durée.
Que sont les panneaux solaires en tandem ?
Vieles spricht dafür, dass Wearables weiter Marktanteile gewinnen werden: Die Geräte entwickeln sich weiter, werden immer erschwinglicher und funktionaler. Akkulaufzeiten verlängern sich, und Energy-Harvesting-Technologien eröffnen die Aussicht auf eine ununterbrochene Nutzung. Zudem macht die Kombination mit künstlicher Intelligenz Wearables auch für weniger technikaffine Menschen attraktiv – sie sind nun kein bloßes Gadget mehr, sondern begegnen dem Nutzer als wohlmeinendes und sehr gut informiertes Gegenüber – im Fall des Gesundheitsmonitorings einem Chefarzt oder Professor vergleichbar, den ich immer bei mir trage.
Auch in der Breite werden sich Wearables weiterentwickeln und vermehrt spezielle Einsatzzwecke abdecken – nicht nur im Privatleben, sondern auch in der Industrie, im Gesundheitswesen und weiteren, bisher noch gänzlich unerschlossenen Bereichen. Mit dem Leistungsumfang von Wearables steigt allerdings auch die Gefahr durch Missbrauch. Und je weiter die Geräte sich hardwareseitig entwickeln, desto herausfordernder wird es, die verbaute Elektronik verlässlich zu testen. Mit innovativen Kontaktierungstechnologien, etwa dem SleeveProbe™, zeigt INGUN immer wieder, wie besondere Prüfanforderungen effizient gemeistert werden können. Als Partner für die Technologie der Zukunft steht INGUN bereit, die dynamische Evolution der Wearables mit führender Prüftechnik zu unterstützen.