La luce artificiale per alimentare una vasta gamma di dispositivi autonomi
I dispositivi autonomi di raccolta dell’energia al di fuori della rete possono attingere energia da svariate fonti ambientali, tra cui vibrazioni, calore e luce, allo scopo di alimentare dispositivi a basso consumo energetico, quali sensori e registratori di dati. «Queste innovazioni sono di particolare interesse per i dispositivi basati sull’Internet delle cose poiché riducono la dipendenza dalle batterie, riducendo al minimo la necessità di manutenzione e la generazione di rifiuti», afferma Mariano Campoy-Quiles, coordinatore del progetto HOPES, finanziato nell’ambito del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra). HOPES ha personalizzato le celle solari al fine di catturare la luce artificiale interna proveniente da LED e lampadine, identificando la luce ottimale per un determinato assorbitore e ottimizzando questo accoppiamento tra «collettore» ed «emettitore» per aumentare l’efficienza. «Sebbene esistano numerosi materiali in grado di catturare la luce con uno spettro di assorbimento che si sovrappone in maniera adeguata a molte sorgenti luminose, esistono anche molti tipi di luci artificiali a bassa intensità (caratterizzate da lunghezze d’onda comprese tra 400 e 700 nanometri, ovvero da due a tre volte meno intense rispetto alla luce solare) che non vengono sfruttate», spiega Campoy-Quiles, ricercatore presso l’Istituto di scienza dei materiali di Barcellona(si apre in una nuova finestra).
Ottimizzare l’efficienza di conversione dell’energia
HOPES è riuscito a selezionare rapidamente i materiali di assorbimento più adatti combinando valutazioni fotovoltaiche molto veloci (circa 50 volte più rapide rispetto ai metodi convenzionali) con una sorgente luminosa su richiesta, un’apparecchiatura in grado di generare condizioni di illuminazione con spettri diversi. Variando la velocità di applicazione dei rivestimenti personalizzati sullo strato attivo del collettore di luce, l’équipe ha realizzato con successo diversi spessori da valutare contemporaneamente, anziché preparare dispositivi distinti per ciascuna condizione. «Ciò ha permesso di creare un set di dati sperimentali molto più ampio, nonché di aumentare la velocità di misurazione. Introducendo gradienti di spessore controllati nello strato attivo della cella solare, siamo stati in grado di valutare molte condizioni del dispositivo nell’ambito dello stesso esperimento», osserva Muhammad Ahsan Saeed, ricercatore capo del progetto. Poiché la struttura chimica dei semiconduttori organici(si apre in una nuova finestra) ne influenza le proprietà ottiche, HOPES ha ottimizzato i materiali organici al fine di adattare in maniera più efficace il profilo di assorbimento alle specifiche emissioni di luce artificiale. Il progetto ha effettuato uno screening ad alta produttività dei materiali organici e delle loro miscele in celle solari di vari spessori (da 50 a 450 nanometri) e con strati attivi caratterizzati da diversi gradienti a cuneo per poi valutare le piattaforme risultanti rispetto a una varietà di luci con diverse temperature di colore e intensità luminose. «Abbiamo dimostrato per raccogliere luci artificiali diverse sono necessari materiali diversi, un fatto che rafforza la nostra tesi sull’importanza dell’accoppiamento tra collettore ed emettitore. Inoltre, abbiamo fornito una https://doi.org/10.1039/d6ta01910be(si apre in una nuova finestra) fondamentale (spiegazione di ciò che determina tale comportamento) », afferma Saeed. Il team ha raggiunto un’efficienza di conversione fino al 30% per l’illuminazione interna rispetto alle celle solari organiche che operano alla luce solare, le quali raggiungono solitamente un rendimento compreso tra il 15 e il 20 %. «Una scoperta fondamentale è stata che il raggiungimento di un’elevata efficienza in ambienti interni non dipende semplicemente dall’utilizzo del materiale in grado di offrire le prestazioni più elevate in condizioni di illuminazione solare. Per ottenere una resa ottimale, infatti, è necessario prendere in considerazione il tipo di materiale, lo spessore dello strato attivo e lo spettro di illuminazione congiuntamente», spiega Saeed.
Dispositivi efficienti, stabili e riproducibili
L’alimentazione di sensori autonomi tramite l’illuminazione interna potrebbe favorirne l’adozione in applicazioni quali i sensori di gas negli edifici intelligenti, l’etichettatura degli scaffali nel settore della vendita al dettaglio e i telecomandi completamente wireless per l’elettronica di consumo. «I nostri risultati possono aiutare le aziende a ridurre lo sforzo sperimentale richiesto per sviluppare tali dispositivi. Tuttavia, sebbene la luce artificiale e diffusa sia abbondante, è anche diluita, motivo per cui dobbiamo aumentare ulteriormente l’efficienza, anche fino al 40%», aggiunge Campoy-Quiles, concludendo. Nel frattempo, il team sta anche valutando la possibilità di combinare i processi di ottimizzazione con l’analisi automatizzata dei dati e l’apprendimento automatico al fine di dare vita a progetti avanzati e rivoluzionari con una forte attrattiva per il mercato.
