Miliarde de dispozitive conectate la Internet ne împodobesc acum pereții și tavanele, detectând, monitorizând și transmițând date către smartphone-uri și servere aflate la mare depărtare. Pe măsură ce gadgeturile proliferează, la fel se întâmplă și cu cererea de energie electrică și nevoia dispozitivelor pentru baterii de uz casnic, baterii care de cele mai multe ori ajung în depozitele de gunoi. Pentru a combate generarea de deșeuri, cercetătorii dezvoltă noi tipuri de celule solare care pot recolta energie din luminile interioare, pe care le folosim deja.
Materialul predominant folosit în celulele solare din zilele noastre, siliciul cristalin, nu funcționează la fel de bine cu lumina emisă de lămpi, dar și cu cea a soarelui arzător. Totuși, alternativele emergente – cum ar fi celulele solare perovskite și materialele sensibilizate la vopsea – s-ar putea dovedi a fi semnificativ mai eficiente la transformarea iluminatului artificial în energie electrică.
Un grup de cercetători din Italia, Germania și Columbia, condus de Thomas Brown, lider de proiect și profesor de inginerie la Universitatea Rome Tor Vergata, dezvoltă celule solare perovskite flexibile, special destinate pentru dispozitive de interior. În testele recente, celulele lor solare cu film subțire au furnizat eficiențe de conversie a puterii de peste 20% în cazul becurilor de sub 200 lux, cantitatea medie de iluminare folosită în locuințe. Valoarea aceasta este triplă față de eficiența interioară a siliciului policristalin, potrivit oamenilor de știință.
Rezultatele proiectului, publicate la sfârșitul lunii aprilie, arată că produsele dezvoltate de ei au cele mai mari eficiențe raportate pentru orice tehnologie de celule solare flexibile din interior. Tehnologia de siliciu amorf, care este utilizată în produse comerciale, cum ar fi calculatoare, este eficientă doar în proporție de aproximativ 9% pe straturile flexibile.
Perovskitele, o zonă de cercetare fotovoltaică care a cunoscut recent o creștere rapidă, sunt un hibrid de compuși organici, metale și halogenuri, structurile cristaline reflectându-le pe cele ale oxidului de calciu și titan. Companiile și universitățile concurează pentru a transforma materialele low-cost, ușor de produs, în celule solare durabile și stabile, în speranța de a face energia regenerabilă, mai accesibilă și mai abundentă la nivel mondial.
În ultimii ani, echipa lui de la Roma a făcut ca celulele solare perovskite să fie flexibile, utilizând proceduri la temperaturi joase. În 2018, au început să aplice celulele solare pe o bucată de sticlă flexibilă cu grosimea de 100 de micrometri – acoperită cu oxid de staniu (ITO) – furnizată de Institutul Fraunhofer pentru electronică organică, fascicul de electroni și tehnologie cu plasmă. (ITO este un strat subțire, transparent, care este conductiv electric.) Grupul italian a expus apoi celulele solare la intensități diferite ale iluminatului interior.
Cercetătorii au descoperit că, în testele de valabilitate, celulele solare necapsulate și-au păstrat 80% din eficiența lor inițială de conversie a puterii pentru mai mult de 100 de zile. Cu toate acestea, performanța a scăzut mai rapid după acea perioadă. Pentru a se integra în dispozitivele IoT, celulele fotovoltaice interioare vor trebui să aibă un ciclu de viață de cel puțin cinci până la zece ani, perioadă similară cu cea în care oamenii își reînnoiesc de obicei dispozitivele electronice, susține Brown.
Celulele solare perovskite, în general, se pot degrada atunci când sunt expuse la umiditate, temperaturi aspre, lumină ultravioletă, oxigen și alte elemente. Astfel de provocări sunt amplificate atunci când tehnologia este folosită în exterior, unde mediul este mai puțin iertător și unde se așteaptă ca panourile solare să reziste zeci de ani.
Cu toate că, inițial, ar putea apărea pe piață dispozitivele mici, utilizarea timpurie a perovskitelor ar putea ghida cercetătorii și producătorii spre dezvoltarea celulelor pentru aplicații în aer liber cu volum mai mare, sunt de părere experții din domeniu.
Celulele perovskite nu sunt singurele materiale care sunt destinate tehnologiei fotovoltaice interioare.
O echipă europeană de cercetare, condusă de Marina Freitag, dezvoltă celule solare sensibilizate la colorant (cunoscute și sub denumirea de celule Grätzel), bazate pe un electrolit complex de cupru. Conform unei lucrări publicate recent, grupul și-a testat celulele pe un pătrat subțire de sticlă conductivă. Ei au descoperit că acestea au transformat 34% din lumina ambientală în energie electrică la intensități de 1000 lux și 31,4% la intensități de 200 lux, sursa fiind o lampă fluorescentă.
Freitag, chimist de profesie, și-a început activitatea la Universitatea Uppsala din Suedia și a finalizat studiul la Newcastle University din Regatul Unit, unde este acum coleg de cercetare al Royal Society University. Conform acesteia, atunci când și-a început munca în domeniul fotovoltaic, cu ani în urmă, perovskitele câștigau teren, în timp ce celulele solare sensibile la vopsea își pierdeau importanța în aplicațiile exterioare (în parte din cauza eficienței reduse a conversiei energetice).
Ea a spus că celulele fotovoltaice sensibile la vopsea ar putea avea un avantaj major în interior, deoarece acestea mențin tensiuni de mare intensitate și sensibilitate ridicată la lumină, chiar și în mediile de lumină scăzută ale locuințelor, birourilor, fabricilor și spațiilor de vânzare cu amănuntul.
Echipa lui Freitag a colaborat, de asemenea, cu Universitatea Tehnică din Munchen pentru a ajuta la dezvoltarea dispozitivelor IoT inteligente cu motor, care sunt capabile să colecteze, să transmită și să proceseze date atunci când este disponibilă cea mai mare cantitate de lumină. Aparatele ”dorm” în mod intermitent între terminarea volumului de muncă și pot sta în repaus mai mult atunci când este disponibilă mai puțină lumină – cum ar fi în timpul nopților și în timpul weekend-urilor în cazul clădirilor de birouri – evitând astfel nevoia de baterii și minimizând pierderea de energie.
La fel ca și colegii săi care se ocupă de perovskite, Freitag susține că va lucra pentru îmbunătățirea stabilității și scalabilității celulelor solare sensibile la colorant.
Dacă și când oricare dintre aceste tehnologii vor trece pragul laboratorului și vor ajunge pe piața comercială, ele vor avea ample oportunități de a recolta energie în lumea reală. Conform unor estimări, aproximativ 75 de miliarde de dispozitive IoT (Internet of Things) vor fi instalate în toată lumea până în 2025.
