La luz artificial podría alimentar una amplia variedad de dispositivos autónomos
Los recolectores de energía autónomos pueden aprovechar la energía de diversas fuentes ambientales, como las vibraciones, el calor o la luz, para alimentar dispositivos de bajo consumo, como sensores y registradores de datos, sin necesidad de conectarse a la red. «Estas innovaciones resultan un muy interesantes para los dispositivos de internet de las cosas, ya que reducen la dependencia de las baterías y, con ello, el mantenimiento y los residuos», comenta Mariano Campoy-Quiles, coordinador del proyecto HOPES, respaldado por las acciones Marie Skłodowska-Curie(se abrirá en una nueva ventana). El equipo de HOPES adaptó las células solares para captar la luz artificial interior de ledes y bombillas, determinó qué tipo de luz era más adecuado para cada material absorbente y optimizó el acoplamiento «recolector-emisor» para aumentar la eficiencia. «Existen muchos materiales capaces de captar la luz cuyo espectro de absorción coincide bien con el de diferentes fuentes luminosas. Pero también hay muchos tipos de luz artificial de baja intensidad —con longitudes de onda de entre 400 y 700 nm y una intensidad entre 2 y 3 veces menor que la de la luz solar— cuya energía todavía no se aprovecha», explica Campoy-Quiles, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona(se abrirá en una nueva ventana).
Optimización de la eficiencia de conversión de energía
El equipo de HOPES pudo identificar rápidamente los materiales absorbentes más adecuados combinando un método de evaluación fotovoltaica unas cincuenta veces más rápido que los métodos convencionales con una fuente de luz ajustable capaz de generar distintos espectros de iluminación. Al modificar la velocidad de aplicación de los recubrimientos adaptados a la capa activa del sistema de captación de luz, se pudieron obtener distintos espesores y evaluarlos simultáneamente, sin necesidad de fabricar un dispositivo diferente para cada condición. «Esto permitió obtener un conjunto de datos experimentales mucho más amplio y acelerar las mediciones. Al introducir gradientes controlados de espesor en la capa activa de las células solares, pudimos evaluar numerosas condiciones de funcionamiento de los dispositivos en un mismo experimento», explica Muhammad Ahsan Saeed, investigador principal. Dado que la estructura química de los semiconductores orgánicos(se abrirá en una nueva ventana) determina sus propiedades ópticas, en HOPES se modificaron estos materiales para adaptar mejor su perfil de absorción a las emisiones de distintas fuentes de luz. Se llevó a cabo un análisis de alto rendimiento de materiales orgánicos y sus mezclas en células solares con distintos espesores (50-450 nm) y capas activas con diferentes gradientes de espesor. Las plataformas resultantes se evaluaron después frente a una variedad de luces con diferentes temperaturas de color e intensidades luminosas. «Demostramos que cada tipo de luz artificial requiere materiales diferentes para aprovechar su energía, lo que confirma la importancia de adaptar el recolector al emisor. También aportamos una explicación de los mecanismos que determinan este comportamiento(se abrirá en una nueva ventana) », comenta Saeed. El equipo logró una eficiencia de conversión de hasta el 30 % con iluminación interior, frente al 15-20 % que suelen alcanzar las células solares orgánicas bajo la luz solar. «Uno de los principales resultados fue comprobar que una alta eficiencia en interiores no depende simplemente de utilizar el material que ofrece el mejor rendimiento bajo la luz solar. Para obtener el máximo rendimiento, hay que considerar conjuntamente el tipo de material, el espesor de la capa activa y el espectro de iluminación», explica Saeed.
Dispositivos eficientes, estables y reproducibles
El uso de la iluminación interior para alimentar sensores autónomos podría favorecer su implantación en aplicaciones como la detección de gases en edificios inteligentes, el etiquetado electrónico de estanterías en comercios y los mandos a distancia totalmente inalámbricos para dispositivos electrónicos de consumo. «Nuestros resultados pueden ayudar a las empresas a reducir el trabajo experimental necesario para desarrollar este tipo de dispositivos. Sin embargo, aunque la luz artificial y difusa es abundante, su intensidad es baja, por lo que es necesario seguir aumentando la eficiencia hasta el 40 %», concluye Campoy-Quiles. Por otra parte, el equipo del proyecto baraja la posibilidad de combinar los procesos de optimización con el análisis automatizado de datos y el aprendizaje automático, con el fin de desarrollar diseños avanzados revolucionarios y atractivos para el mercado.
