La lumière artificielle pourrait alimenter toute une gamme d’appareils autonomes
Les dispositifs autonomes de récupération d’énergie hors réseau peuvent capter l’énergie provenant de différentes sources environnementales, notamment les vibrations, la chaleur et la lumière, pour alimenter des appareils à faible consommation, tels que des capteurs et des enregistreurs de données. «Ces innovations présentent un intérêt particulier pour les appareils de l’Internet des objets, car elles réduisent la dépendance vis-à-vis des batteries, minimisant ainsi l’entretien et les déchets», explique Mariano Campoy-Quiles, coordinateur du projet HOPES, soutenu par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). HOPES a mis au point des cellules solaires sur mesure pour capter la lumière artificielle en intérieur provenant de LED et d’ampoules, en identifiant la meilleure lumière pour un absorbeur donné et en affinant ce couplage «capteur-émetteur» afin d’augmenter le rendement. «Il existe de nombreux matériaux captant la lumière dont le spectre d’absorption recoupe bien celui de nombreuses sources lumineuses. Mais il existe également de nombreux types de lumières artificielles de faible intensité, dont les longueurs d’onde sont comprises entre 400 et 700 nanomètres, soit une intensité deux à trois fois inférieure à celle de la lumière solaire, qui ne sont pas exploitées», explique Mariano Campoy-Quiles, de l’Institut des sciences des matériaux de Barcelone(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre).
Optimiser le rendement de conversion énergétique
HOPES a pu sélectionner rapidement les matériaux d’absorption les plus adaptés en combinant des évaluations photovoltaïques très rapides (environ 50 fois plus rapides que les méthodes conventionnelles) avec une source lumineuse à la demande, un équipement générant différentes conditions d’éclairage spectral. En faisant varier la vitesse d’application de revêtements sur mesure sur la couche active du capteur de lumière, l’équipe a pu fabriquer plusieurs épaisseurs à évaluer simultanément, plutôt que de préparer des dispositifs distincts pour chaque condition. «Cette approche a permis de constituer un ensemble de données expérimentales beaucoup plus vaste, tout en augmentant la vitesse de mesure. En introduisant des gradients d’épaisseur contrôlés dans la couche active de la cellule solaire, nous avons pu évaluer de nombreuses conditions de fonctionnement au cours d’une même expérience», note Muhammad Ahsan Saeed, chercheur principal. La structure chimique de semi-conducteurs organiques(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) influençant leurs propriétés optiques, l’équipe de HOPES a ajusté les matériaux organiques afin d’adapter au mieux le profil d’absorption à des émissions de lumière artificielle spécifiques. Un criblage à haut débit des matériaux organiques et de leurs mélanges a été réalisé dans des cellules solaires de différentes épaisseurs (50 à 450 nanomètres), avec des couches actives présentant différents gradients en forme de coin. Les plateformes ainsi obtenues ont ensuite été évaluées face à diverses sources lumineuses présentant des températures de couleur et des intensités lumineuses différentes. «Nous avons démontré que différentes lumières artificielles devaient être captées par différents matériaux, ce qui renforce notre idée quant à l’importance de l’adéquation entre le capteur et l’émetteur. Nous avons également proposé une explication fondamentale des mécanismes régissant ce comportement(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) », précise Muhammad Ahsan Saeed. L’équipe a atteint un rendement de conversion allant jusqu’à 30 % pour l’éclairage intérieur, contre un rendement généralement compris entre 15 et 20 % pour les cellules solaires organiques fonctionnant au soleil. «L’une des principales conclusions est que l’obtention d’un rendement élevé en intérieur ne se résume pas simplement à l’utilisation du matériau le plus performant sous rayonnement solaire. Le type de matériau, l’épaisseur de la couche active et le spectre d’éclairage doivent tous être pris en compte conjointement pour obtenir un rendement optimal», explique Muhammad Ahsan Saeed.
Des dispositifs efficaces, stables et reproductibles
L’alimentation de capteurs autonomes par l’éclairage intérieur pourrait favoriser leur adoption dans des applications telles que les capteurs de gaz dans les bâtiments intelligents, l’étiquetage des rayons dans le commerce de détail et les télécommandes entièrement sans fil pour l’électronique grand public. «Nos résultats peuvent aider les entreprises à réduire l’effort expérimental nécessaire au développement de tels dispositifs. Mais si la lumière artificielle et diffuse est abondante, elle est aussi dispersée; nous devons donc encore augmenter le rendement, voire jusqu’à 40 %», ajoute Mariano Campoy-Quiles. Parallèlement, l’équipe envisage également de combiner des processus d’optimisation avec l’analyse automatisée des données et l’apprentissage automatique, afin de mettre au point des conceptions avancées révolutionnaires et attractives sur le marché.
