Nghiên cứu gần đây cho thấy tế bào quang điện thương mại – loại tế bào quang điện đã được sản xuất hàng loạt và ứng dụng rộng rãi trong thực tế – có khả năng chịu đựng tốt qua nhiều chu kỳ giặt với mức suy giảm hiệu suất không đáng kể, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm dệt may thông minh. Mặc dù có tiềm năng to lớn, yếu tố then chốt để các sản phẩm dệt may thông minh thực sự phát huy hiệu quả chính là nguồn năng lượng ổn định và bền vững. Pin truyền thống, dù phổ biến, nhưng việc sạc hoặc thay thế pin không chỉ gây bất tiện mà còn tiềm ẩn rủi ro trong các ứng dụng đòi hỏi tính liên tục như áo bảo hộ phát sáng hay các thiết bị y tế di động. Trong bối cảnh đó, tế bào quang điện nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn, giúp các thiết bị tích hợp trên vải vận hành mà không cần phụ thuộc vào pin truyền thống.
Ngành dệt may đang bước vào một kỷ nguyên mới với sự xuất hiện của các công nghệ đột phá, hứa hẹn nâng cao chất lượng cuộc sống của con người lên tầm cao mới. Vải thông minh – sự kết hợp giữa vải truyền thống, cảm biến tinh vi, thiết bị điện tử nhỏ gọn và vật liệu linh hoạt đang dần định hình tương lai của ngành công nghiệp này. Những sản phẩm này không chỉ đơn thuần là trang phục mà còn có khả năng theo dõi sức khỏe, điều chỉnh nhiệt độ, giao tiếp và tương tác với môi trường xung quanh.
Theo báo cáo từ Global Industry Analysts Inc. (2022), thị trường vải thông minh toàn cầu sẽ đạt 5,9 tỷ USD vào năm 2026, phản ánh tiềm năng to lớn của công nghệ này trong các lĩnh vực như thể thao, y tế và bảo hộ lao động. Sự tăng trưởng này được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng cao về các sản phẩm dệt may thông minh có khả năng tương tác và hỗ trợ người dùng trong nhiều hoạt động khác nhau.
Tế bào quang điện: Nguồn năng lượng cho dệt may thông minh
Tế bào quang điện (photovoltaic cells) là thiết bị bán dẫn chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện. Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt của tế bào quang điện, các photon có năng lượng đủ lớn sẽ kích thích các electron thoát ra khỏi vùng liên kết, tạo thành các cặp electron-lỗ trống. Dưới tác động của điện trường trong lớp tiếp xúc p-n, các electron và lỗ trống di chuyển về các điện cực khác nhau, tạo ra dòng điện khi mạch được đóng.
Trong lĩnh vực dệt may thông minh, các loại tế bào quang điện thích hợp cần đáp ứng các yêu cầu về tính linh hoạt, trọng lượng nhẹ và hiệu suất ổn định. Hiện nay, có ba loại tế bào quang điện chính đang được nghiên cứu và phát triển cho ứng dụng này:
| Loại tế bào | Hiệu suất | Ưu điểm | Nhược điểm |
| Tế bào quang điện màng mỏng | 10-15% | Linh hoạt, nhẹ, chi phí sản xuất thấp | Hiệu suất thấp hơn so với tế bào tinh thể silicon(*) |
| Tế bào quang điện hữu cơ | 8-12% | Rất linh hoạt, có thể in trực tiếp lên vải | Độ bền thấp, dễ bị suy giảm hiệu suất |
| Tế bào quang điện Perovskite | 18-25% | Hiệu suất cao, linh hoạt | Độ ổn định còn hạn chế, còn mới trong ứng dụng thực tế |
(*)Tế bào tinh thể silicon là loại tế bào quang điện truyền thống, thường được sử dụng trong các tấm pin mặt trời cố định nhờ hiệu suất cao (20–22%). Tuy nhiên, do tính chất cứng và nặng, chúng không phù hợp với ứng dụng dệt may linh hoạt.
Tế bào quang điện, với khả năng chuyển hóa ánh sáng thành điện năng, mang lại giải pháp năng lượng tự động cho các sản phẩm dệt may thông minh. Dưới đây là những ứng dụng nổi bật, minh chứng cho tính linh hoạt và giá trị thực tiễn của công nghệ này.
- Trang phục thể thao thông minh
Trong lĩnh vực thể thao, tế bào quang điện tích hợp trên vải đã chứng minh vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất tập luyện và thi đấu của vận động viên. Các cảm biến được cấp nguồn từ tế bào quang điện có thể theo dõi chính xác các chỉ số sức khỏe với độ chính xác cao: nhịp tim (±1 bpm), nhiệt độ cơ thể (±0,1°C) và mức độ vận động.
Một chiếc áo thể thao ứng dụng công nghệ này có thể hoạt động liên tục trong 8 giờ dưới ánh sáng mặt trời với cường độ trung bình 800 W/m², truyền dữ liệu thời gian thực đến thiết bị di động. Điều này giúp vận động viên theo dõi tình trạng sức khỏe một cách liên tục và chính xác, từ đó điều chỉnh chế độ tập luyện và nâng cao hiệu suất thi đấu.
Ngoài ra, năng lượng từ tế bào quang điện còn được sử dụng để vận hành các thiết bị hỗ trợ vận động như hệ thống sưởi ấm trong áo khoác chạy bộ (công suất 2-5W) hoặc hệ thống điều chỉnh độ ẩm trong quần áo yoga. Nhờ vậy, người mặc luôn cảm thấy thoải mái dù trong bất kỳ điều kiện thời tiết nào.
- Trang phục bảo hộ lao động thông minh
Trong các môi trường làm việc khắc nghiệt, tế bào quang điện đóng vai trò như một lớp bảo vệ chủ động cho người lao động. Quần áo bảo hộ tích hợp công nghệ này có thể cấp nguồn cho các hệ thống cảnh báo nguy hiểm, chẳng hạn như phát hiện khí độc (nồng độ CO vượt 50 ppm), nhiệt độ cao (>40°C) hoặc bức xạ vượt ngưỡng an toàn. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro tai nạn lao động tới 40% theo các nghiên cứu thực nghiệm.
Một ví dụ điển hình là bộ đồ cứu hỏa tích hợp tế bào quang điện chịu nhiệt (hoạt động ổn định ở nhiệt độ lên đến 200°C). Không chỉ cung cấp năng lượng cho hệ thống thông tin liên lạc tiên tiến với bán kính hoạt động lên đến 500m, các tế bào này còn hỗ trợ cảm biến đo nồng độ khí độc và nhiệt độ bên trong bộ đồ. Nhờ đó, lính cứu hỏa có thể duy trì kết nối liên tục với đồng đội, nhận thông tin cập nhật về tình hình đám cháy và được cảnh báo kịp thời về những hiểm nguy tiềm ẩn.
- Thiết bị đeo thông minh hỗ trợ người già và người khuyết tật
Tế bào quang điện mang lại nhiều lợi ích cho người già và người khuyết tật thông qua các thiết bị đeo thông minh. Quần áo và thiết bị đeo được tích hợp công nghệ này có thể theo dõi các thông số sức khỏe quan trọng như nhịp tim, huyết áp, mức độ hoạt động và chất lượng giấc ngủ.
Đặc biệt, các sản phẩm này được trang bị hệ thống phát hiện té ngã với độ chính xác lên đến 95%, tự động gửi tín hiệu cấp cứu đến trung tâm y tế hoặc người thân trong vòng 30 giây sau khi phát hiện sự cố. Nghiên cứu tại các viện dưỡng lão ở Bắc Âu cho thấy, việc sử dụng các thiết bị này đã giúp giảm 35% thời gian phản ứng với các trường hợp khẩn cấp và nâng cao chất lượng cuộc sống của người cao tuổi.
- Các ứng dụng sáng tạo khác
Ngoài những ứng dụng trên, tế bào quang điện còn mở ra nhiều khả năng sáng tạo trong ngành dệt may:
- Thời trang tương tác: Quần áo thời trang có khả năng phát sáng (cường độ 50-200 lumens) hoặc thay đổi màu sắc (16 triệu màu) thông qua các đèn LED năng lượng mặt trời, tạo ra những hiệu ứng độc đáo và thu hút sự chú ý, mở ra những khả năng mới cho thiết kế và biểu diễn thời trang.
- Giải pháp sạc di động: Các sản phẩm dệt may tích hợp công nghệ sạc không dây có thể sạc đầy điện thoại (3000mAh) trong 2 giờ dưới ánh sáng mặt trời, loại bỏ nhu cầu sử dụng dây cáp và ổ cắm.
- Thiết bị ngoài trời thông minh: Lều trại hoặc ba lô tích hợp tế bào quang điện có thể cung cấp công suất 10-15W cho các thiết bị điện tử cá nhân trong các hoạt động ngoài trời như cắm trại, leo núi, đáp ứng nhu cầu năng lượng cơ bản của người dùng trong thời gian dài.
Độ bền giặt: Bước tiến quan trọng cho ứng dụng thực tế
Để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của tế bào quang điện trong ngành dệt may, các nhà nghiên cứu tại Đại học Aalto (Phần Lan) đã tiến hành một nghiên cứu đánh giá khả năng chịu đựng của tế bào quang điện thương mại qua nhiều chu kỳ giặt tiêu chuẩn theo ISO 6330:2012. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng chịu đựng của các tế bào quang điện thương mại khi trải qua nhiều chu kỳ giặt dưới điều kiện giặt giũ thông thường như trong hộ gia đình.
Trong nghiên cứu này, các loại vải khác nhau (cotton, polyester, và vải pha trộn cotton-polyester) được xử lý bằng quy trình ép nóng chảy tích hợp tế bào quang điện loại màng mỏng. Phương pháp này không chỉ cố định chắc chắn vị trí và hướng của tế bào quang điện mà còn đảm bảo tính bền bỉ trong sản phẩm dệt cuối cùng nhờ lớp màng TPU (Thermoplastic Polyurethane) dày 100 μm bao phủ.
Các mẫu vải được giặt nhiều lần trong máy giặt gia dụng với các thông số kỹ thuật sau:
- Nhiệt độ: 40°C
- Tốc độ quay: 600 vòng/phút
- Chất tẩy rửa: Chất tẩy rửa tiêu chuẩn không chứa chất tẩy trắng
- Chu kỳ đo lường: Sau 10, 20, 30, 40 và 50 chu kỳ giặt
Hiệu suất của tế bào quang điện được đánh giá thông qua các thông số:
- Mật độ dòng điện ngắn mạch (Jsc)
- Điện áp mạch hở (Voc)
- Công suất đầu ra (Pmax)
- Hệ số điền đầy (FF)
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tế bào quang điện có khả năng chịu được 50 chu kỳ giặt với mức suy giảm hiệu suất không đáng kể:
- Công suất đầu ra giảm chỉ 12-15% sau 50 chu kỳ
- Mật độ dòng điện ngắn mạch giảm 8-10%
- Điện áp mạch hở duy trì ổn định (giảm <5%)
Những kết quả này cho thấy công nghệ ép nóng chảy và màng TPU đã đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tế bào quang điện khỏi tác động của nước, chất tẩy rửa và lực cơ học trong quá trình giặt giũ. Tuy nhiên, phân tích chi tiết cũng chỉ ra rằng các loại vải khác nhau có ảnh hưởng khác nhau đến hiệu suất của tế bào quang điện:
- Vải polyester cho kết quả tốt nhất với mức suy giảm thấp nhất (12%)
- Vải cotton có mức suy giảm cao nhất (15%)
- Vải pha trộn cotton-polyester có kết quả trung gian (13-14%)
Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các thông số quy trình như nhiệt độ và áp suất ép cần được tối ưu hóa để đảm bảo độ bền của sản phẩm:
- Nhiệt độ tối ưu: 160-165°C (thấp hơn có thể gây kết dính không đủ, cao hơn có thể làm hỏng tế bào quang điện)
- Áp suất tối ưu: 1.5 bar (cho phép liên kết chắc chắn mà không gây biến dạng tế bào)
- Thời gian ép: 45-60 giây (đủ để keo TPU tan chảy và thẩm thấu vào cấu trúc vải)
Thách thức và giải pháp trong ứng dụng thực tế
Về hiệu suất năng lượng: Mặc dù tế bào quang điện đã đạt được những tiến bộ đáng kể, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của chúng khi tích hợp trên vải vẫn chưa đạt mức tối ưu, đặc biệt trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc trong nhà. Các nghiên cứu hiện nay cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng của tế bào quang điện linh hoạt thương mại chỉ đạt 10-15%, thấp hơn nhiều so với các tấm pin mặt trời cứng truyền thống (20-22%).
Giải pháp tiềm năng:
- Phát triển các vật liệu quang điện mới với khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn trong điều kiện ánh sáng yếu
- Tối ưu hóa cấu trúc tế bào quang điện để giảm thiểu mất mát năng lượng
- Kết hợp với các hệ thống lưu trữ năng lượng hiệu quả (siêu tụ điện linh hoạt)
Về chi phí sản xuất: Chi phí sản xuất cao là một rào cản lớn đối với việc thương mại hóa rộng rãi các sản phẩm dệt may tích hợp tế bào quang điện. Hiện nay, chi phí sản xuất một áo thông minh tích hợp tế bào quang điện có thể cao gấp 3-5 lần so với một sản phẩm tương tự không có chức năng này.
Giải pháp tiềm năng:
- Cải tiến quy trình sản xuất để tăng năng suất và giảm chi phí
- Phát triển các vật liệu thay thế có giá thành thấp hơn
- Xây dựng chuỗi cung ứng hiệu quả
Về tính thẩm mỹ và thoải mái: Việc tích hợp tế bào quang điện vào vải có thể ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ và sự thoải mái của người mặc. Các tế bào quang điện thương mại hiện nay thường có màu xanh đậm hoặc đen, có thể không phù hợp với mọi thiết kế thời trang. Ngoài ra, độ cứng của tế bào quang điện cũng có thể làm giảm độ mềm mại và thoải mái của vải.
Giải pháp tiềm năng:
- Phát triển các tế bào quang điện trong suốt hoặc có màu sắc đa dạng
- Thiết kế các cấu trúc tế bào siêu mỏng và siêu linh hoạt
- Tối ưu hóa vị trí đặt tế bào quang điện trên trang phục để không ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng
Tầm nhìn cho ngành dệt may thông minh
Với những bước tiến không ngừng trong công nghệ và nghiên cứu, chúng ta hoàn toàn có thể kỳ vọng rằng tế bào quang điện sẽ ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành dệt may. Công nghệ này hứa hẹn mang lại những sản phẩm thông minh, tiện lợi và bền vững cho người tiêu dùng toàn cầu, đồng thời góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực của ngành công nghiệp dệt may đến môi trường.
Một tương lai xanh hơn, thông minh hơn và bền vững hơn đang chờ đợi ngành dệt may, nơi mà công nghệ tế bào quang điện và các đổi mới khác sẽ cùng hòa quyện để phục vụ con người và bảo vệ hành tinh của chúng ta.
Theo nội dung Đặc san Dệt May và Thời trang Việt Nam số 7 + 8/2025. Chi tiết xem tại đây!
