Künstliches Licht könnte viele autonome Geräte mit Energie versorgen
Autonome, netzunabhängige energiesammelnde Vorrichtungen können Energie aus verschiedenen Umgebungsquellen, darunter Schwingungen, Wärme und Licht, gewinnen, um Geräte mit geringem Energieverbrauch wie etwa Sensoren und Datenlogger anzutreiben. „Diese Innovationen sind von besonderem Interesse in Bezug auf im Internet der Dinge agierende Geräte, da sie die Abhängigkeit von Batterien verringern und somit Wartungsaufwand und Abfall minimieren“, schätzt Mariano Campoy-Quiles ein, Koordinator des im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) unterstützten Projekts HOPES. Im Zuge von HOPES wurden Solarzellen speziell daran angepasst, künstliches Licht aus LEDs und Glühlampen in Innenräumen zu nutzen. Dabei wurde das für einen vorgegebenen Absorber am besten geeignete Licht ermittelt und die Kopplung zwischen „Sammler“ und „Emitter“ feinabgestimmt, um den Wirkungsgrad zu steigern. „Es gibt viele lichtgewinnende Materialien mit einem Absorptionsspektrum, das sich gut mit vielen Lichtquellen überschneidet. Aber es gibt auch viele Arten des künstlichen Lichts mit geringer Intensität, mit Wellenlängen von 400 bis 700 Nanometern, das zwei- bis dreimal weniger intensiv als Sonnenlicht ist, das bisher nicht genutzt wird“, erklärt Campoy-Quiles vom Institut für Materialwissenschaften in Barcelona(öffnet in neuem Fenster).
Optimierter Energieumwandlungswirkungsgrad
Das Team von HOPES konnte rasch die am besten geeigneten Absorptionsmaterialien herausfiltern. Dazu wurden sehr schnelle Photovoltaikbewertungen (etwa 50-mal schneller als bei herkömmlichen Methoden) mit einer bedarfsgesteuerten Lichtquelle, einer unterschiedliche spektrale Beleuchtungsbedingungen erzeugenden Vorrichtung, kombiniert. Mithilfe der Variation der Auftragsgeschwindigkeit maßgeschneiderter Beschichtungen auf der aktiven Schicht des Lichtkollektors konnte das Team verschiedene Schichtdicken herstellen, die gleichzeitig evaluiert werden konnten, anstatt für jede Bedingung separate Bauelemente vorzubereiten. „Dadurch entstand ein wesentlich größerer experimenteller Datensatz, und gleichzeitig wurde die Messgeschwindigkeit erhöht. Mit der Einführung kontrollierter Dickengradienten in der aktiven Schicht der Solarzelle konnten wir viele Bauteilbedingungen innerhalb desselben Experiments bewerten“, erklärt Forschungsleiter Muhammad Ahsan Saeed. Da die chemische Struktur von organischen Halbleitern(öffnet in neuem Fenster) deren optische Eigenschaften beeinflusst, passte das Team von HOPES die organischen Werkstoffe derart an, dass das Absorptionsprofil optimal auf bestimmte künstliche Lichtemissionen abgestimmt war. Es wurde ein Hochdurchsatz-Screening organischer Materialien und ihrer Mischungen in Solarzellen unterschiedlicher Dicke (50 bis 450 Nanometer) sowie mit aktiven Schichten mit unterschiedlichen Keilgradienten durchgeführt. Die daraus resultierenden Plattformen wurden anschließend anhand einer Vielzahl von Lichtquellen mit unterschiedlichen Farbtemperaturen und Lichtintensitäten evaluiert. „Wir konnten demonstrieren, dass das Licht unterschiedlicher künstlicher Quellen mit verschiedenen Materialien gesammelt werden sollte – was unsere Vorstellung von der Bedeutung der Abstimmung zwischen Lichtsammler und Lichtemitter untermauert. Außerdem haben wir eine grundlegende Erklärung der Ursachen für dieses Verhalten(öffnet in neuem Fenster) vorgelegt“, erläutert Saeed. Das Team erzielte bei Innenbeleuchtung einen Wirkungsgrad von bis zu 30 %, verglichen mit organischen Solarzellen, mit denen unter Sonneneinstrahlung typischerweise ein Wirkungsgrad von 15 bis 20 % erreichbar ist. „Eine wichtige Erkenntnis lautete, dass es beim Wirkungsgrad in Innenräumen nicht einfach darum ging, das unter Sonnenlicht leistungsstärkste Material einzusetzen. Der Materialtyp, die Dicke der aktiven Schicht und das Beleuchtungsspektrum müssen für optimale Leistungen in ihrer Gesamtheit Berücksichtigung finden“, erklärt Saeed.
Effiziente, stabile und reproduzierbare Vorrichtungen
Die Stromversorgung autonomer Sensoren durch Innenbeleuchtung könnte deren Einsatz bei Anwendungen wie Gassensoren in intelligenten Gebäuden, Regalbeschriftungen im Einzelhandel und vollständig drahtlosen Fernbedienungen für Unterhaltungselektronik zugutekommen. „Unsere Ergebnisse können Unternehmen dabei helfen, den experimentellen Aufwand für die Entwicklung derartiger Bauteile zu reduzieren. Auch wenn künstliches und diffuses Licht überall reichlich vorhanden ist, ist es meist abgeschwächt, sodass wir den Wirkungsgrad weiter steigern müssen, sogar auf bis zu 40 %“, fügt Campoy-Quiles hinzu. Inzwischen erwägt das Team außerdem, Optimierungsprozesse mit automatisierter Datenanalyse und maschinellem Lernen zu kombinieren, um bahnbrechende, fortgeschrittene Designs mit Marktpotenzial zu entwickeln.
