Sztuczne światło jako sposób zasilania autonomicznych urządzeń
Niezależne urządzenia pozyskujące energię ze źródeł innych niż sieć elektryczna mogą być zasilane na różne sposoby - na przykład dzięki wykorzystaniu energii drgań, ciepła i światła. To pozwala na zasilanie urządzeń o niskim zużyciu energii, takich jak czujniki i rejestratory danych. „Tego rodzaju innowacje są niezwykle istotne z punktu widzenia urządzeń internetu rzeczy, ponieważ ograniczają konieczność stosowania akumulatorów, minimalizując tym samym konieczność konserwacji urządzeń i zmniejszając ilość wytwarzanych odpadów”, wyjaśnia Mariano Campoy-Quiles, koordynator projektu HOPES wspieranego ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Zespół projektu HOPES opracował specjalne ogniwa fotowoltaiczne pozwalające na pozyskiwanie energii ze sztucznego oświetlenia opartego na diodach elektroluminescencyjnych (LED) i żarówkach w pomieszczeniach, wskazując najlepsze źródło światła dla danego materiału oraz precyzyjnie dostrajając sprzężenie kolektora i emitera w celu zwiększenia sprawności rozwiązania. „Istnieje wiele materiałów gromadzących światło, których widmo absorpcji dobrze pokrywa się z widmami wielu źródeł światła. Istnieje jednak także wiele źródeł sztucznego oświetlenia o niskim natężeniu i długościach fal sięgających od 400 do 700 nanometrów, których intensywność jest dwukrotnie bądź trzykrotnie niższa od światła słonecznego. Obecnie nie wykorzystujemy ich jako źródeł zasilania”, wyjaśnia Campoy-Quiles, przedstawiciel Instytutu Materiałoznawstwa w Barcelonie(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
Zwiększona sprawność przetwarzania
Zespołowi projektu HOPES udało się szybko wyselekcjonować najlepsze materiały pochłaniające światło wykorzystując w tym celu szybkie badania sprawności fotowoltaicznej (nawet 50-krotnie szybsze niż metody konwencjonalne) wykorzystujące źródło światła o konfigurowalnych parametrach, które umożliwiało uzyskanie oświetlenia o różnych długościach fali i parametrach. Zmiana prędkości nakładania dostosowanych powłok na warstwę aktywną kolektora światła umożliwiła badaczom wytworzenie warstw o różnej grubości, które mogły być badane jednocześnie, co wyeliminowało konieczność przygotowywania osobnych prototypów do badania każdego parametru. „Pozwoliło to uzyskać znacznie większy zbiór danych w wyniku doświadczeń, a także zwiększyć szybkość pomiarów. Dzięki wprowadzeniu kontrolowanych gradientów grubości w aktywnej warstwie ogniwa byliśmy w stanie ocenić wiele wariantów urządzenia w ramach jednego doświadczenia”, zauważa Muhammad Ahsan Saeed, główny badacz projektu. Ze względu na to, że struktura chemiczna półprzewodników organicznych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wpływa na ich właściwości optyczne, zespół projektu HOPES zmodyfikował materiały organiczne tak, by profil absorpcji jak najlepiej odpowiadał konkretnym źródłom sztucznego światła. Badacze prowadzili badania przesiewowe materiałów organicznych i ich mieszanek w ogniwach słonecznych o różnych grubościach (50–450 nanometrów), badając warstwy aktywne o różnych gradientach klinowych. Powstałe w ten sposób urządzenia zostały następnie ocenione pod kątem źródeł światła o różnych temperaturach barwowych i natężeniach. „Wykazaliśmy, że różne rodzaje sztucznego światła mogą być wychwytywane przez różne materiały, co potwierdza założenia naszej koncepcji dotyczące znaczenia dopasowania między kolektorem i emiterem. Zaproponowaliśmy również wyjaśnienie tego zjawiska(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i czynników regulujących takie zachowanie. Zespół osiągnął sprawność przetwarzania energii dochodzącą do 30 % w przypadku sztucznego oświetlenia pomieszczeń. W przypadku organicznych ogniw fotowoltaicznych zbierających światło słoneczne sprawność wynosi zazwyczaj od 15 do 20 %. „Kluczowym odkryciem było to, że osiągnięcie wysokiej sprawności w pomieszczeniach nie wymagało zastosowania materiału charakteryzującego się najwyższą sprawnością w świetle słonecznym. Aby uzyskać optymalną sprawność, należy uwzględnić rodzaj materiału, grubość warstwy aktywnej oraz długość fali światła”, wyjaśnia Saeed.
Sprawne, niezawodne i powtarzalne urządzenia
Zasilanie autonomicznych czujników dzięki wykorzystaniu światła dostępnego w pomieszczeniach może umożliwić opracowanie nowych rozwiązań, takich jak czujniki gazu w inteligentnych budynkach, znaki i cenówki na półkach w sklepach, a także całkowicie bezprzewodowe piloty do sterowania elektroniką użytkową. „Nasze odkrycia mogą pomóc przedsiębiorstwom w ograniczeniu nakładu pracy wymaganej w celu opracowania takich urządzeń. Należy jednak pamiętać, że choć sztuczne i rozproszone światło jest dostępne w dużych ilościach, jest również rozproszone - dlatego musimy zwiększyć sprawność nawet do 40 %”, dodaje Campoy-Quiles. Zespół rozważa również połączenie procesów optymalizacji z automatyczną analizą danych i uczeniem maszynowym, aby stworzyć przełomowe, zaawansowane rozwiązania, które będą atrakcyjne dla odbiorców na rynku.
