Las células solares sensibilizadas con perovskita y colorantes podrían alimentar de manera eficiente los dispositivos interiores y reducir el desperdicio de baterías.
Miles de millones de dispositivos conectados a Internet ahora adornan nuestras paredes y techos, detectando, monitoreando y transmitiendo datos a teléfonos inteligentes y servidores remotos.
A medida que proliferan los dispositivos, también lo hace su demanda de electricidad y la necesidad de baterías domésticas, la mayoría de las cuales terminan en vertederos. Para combatir el desperdicio, los investigadores están ideando nuevos tipos de células solares que pueden recolectar energía de las luces interiores que ya estamos usando.
El material dominante utilizado en las células solares de hoy, el silicio cristalino, no funciona tan bien bajo las lámparas como bajo el sol abrasador. Pero las alternativas emergentes, como las células solares de perovskita y los materiales sensibilizados con colorantes, pueden resultar significativamente más eficientes para convertir la iluminación artificial en energía eléctrica.
Celulas solares de perovskita
Un grupo de investigadores de Italia, Alemania y Colombia está desarrollando células solares de perovskita flexibles específicamente para dispositivos de interior. En pruebas recientes, su celda solar de película delgada proporcionó eficiencias de conversión de energía de más del 20 por ciento por debajo de 200 lux, la cantidad típica de iluminación en los hogares.
Eso es aproximadamente el triple de la eficiencia interior del silicio policristalino, según Thomas Brown, líder del proyecto y profesor de ingeniería en la Universidad de Roma Tor Vergata.
Los resultados, son las eficiencias más altas reportadas para cualquier tecnología de celda solar flexible para interiores, dijo Brown. La tecnología de silicio amorfo, que se utiliza en productos comerciales como calculadoras, es solo un 9 por ciento de eficiencia en capas flexibles.
“Se está produciendo una revolución con Internet de las cosas”, dijo Brown. Se imaginó integrando las celdas ultraligeras en termostatos inalámbricos, alarmas de incendio, cámaras de seguridad y otros sensores de baja potencia. Cuando las células solares se combinan con un dispositivo de almacenamiento de energía, “eso disminuiría o eliminaría el uso de baterías reemplazables”, dice.
Un área de investigación fotovoltaica en rápido crecimiento
Las perovskitas, un área de investigación fotovoltaica en rápido crecimiento, son un híbrido de compuestos orgánicos, metales y haluros, con estructuras cristalinas que reflejan las del mineral óxido de calcio y titanio.
Las empresas y universidades están compitiendo para convertir los materiales de bajo costo y fáciles de producir en células solares duraderas y estables, con la esperanza de hacer que la energía renovable sea más asequible y abundante en todo el mundo.
En los últimos años, el equipo de Brown en Roma ha fabricado células solares de perovskita flexibles utilizando procedimientos de baja temperatura.
En 2018, comenzaron a aplicar las células solares a una pieza de vidrio flexible de 100 micrómetros de espesor, recubierta con óxido de indio y estaño (ITO), proporcionada por el Instituto Fraunhofer de Electrónica Orgánica, Tecnología de Rayo de Electrones y Plasma. (ITO es una fina capa transparente que es conductora de electricidad). El grupo italiano luego expuso las células solares a diferentes intensidades de iluminación interior.
Descubrieron que, en las pruebas de vida útil, las células solares no encapsuladas retuvieron el 80 por ciento de su eficiencia inicial de conversión de energía durante más de 100 días. Sin embargo, el rendimiento disminuyó más rápidamente después de ese período.
Se requiere células fotovoltaicas de alta duración
Para integrarse en los dispositivos de IoT, las células fotovoltaicas de interior deberán durar al menos de cinco a diez años, aproximadamente el momento en que las personas suelen actualizar los dispositivos electrónicos, dijo Brown.
Las células solares de perovskita en general pueden degradarse cuando se exponen a la humedad, temperaturas extremas, luz ultravioleta, oxígeno y otros elementos. Tales desafíos se amplifican cuando la tecnología se usa en el exterior, donde el medio ambiente es menos tolerante y donde se espera que los paneles solares duren décadas.
“A menudo le digo a la gente que, en el contexto de la energía fotovoltaica, su iPhone es un dispositivo maravilloso, pero si lo coloca en el techo durante 30 años, no creo que espere que siga funcionando”, dijo Joe Berry. , científico investigador senior del Laboratorio Nacional de Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU . “Eso es lo que hacemos con las células solares y esperamos que sobrevivan durante 30 años”.
Berry es director del Consorcio de Fabricación de Perovskitas Avanzadas de EE. UU. , Que reúne a laboratorios gubernamentales, instituciones académicas y empresas para acelerar el desarrollo de la nueva tecnología solar.
Dado que es probable que los pequeños dispositivos de interior lleguen primero a los estantes, Berry dijo que los primeros usos de las perovskitas podrían guiar a los investigadores y fabricantes en el desarrollo de células para aplicaciones exteriores de mayor volumen y mayor escala.
Las células de perovskita no son el único material que se observa en la energía fotovoltaica de interior.
Celulas solares Grätzel
Un equipo de investigación europeo dirigido por Marina Freitag está desarrollando células solares sensibilizadas por colorante (también conocidas como célula Grätzel) basadas en un electrolito de complejo de cobre. El grupo recientemente probó sus células en un cuadrado delgado de vidrio conductor.
Descubrieron que las células solares convertían el 34 por ciento de la luz ambiental en electricidad a intensidades de 1000 lux y el 31,4 por ciento a 200 lux de una lámpara fluorescente.
Dijo que la última tecnología puede tener la ventaja en interiores, donde las celdas pueden mantener altos voltajes y alta sensibilidad a la luz en entornos con poca luz de hogares, oficinas, fábricas y espacios comerciales.
“Puede mezclar y combinar los tintes para adaptarse al espectro de luz interior”, dijo Freitag. “Puede adaptar el sistema muy fácilmente”.
Dispositivos capaces de recopital, transmitir y procesar datos cuando hay más luz disponible
El equipo de Freitag también colaboró con la Universidad Técnica de Múnich para ayudar a desarrollar dispositivos inteligentes de IoT autoamplificados que son capaces de recopilar, transmitir y procesar datos cuando hay más luz disponible.
Los dispositivos duermen intermitentemente entre completar sus cargas de trabajo y pueden dormir más cuando hay menos luz disponible, como durante las noches y los fines de semana en un edificio de oficinas, evitando así la necesidad de baterías y minimizando la pérdida de energía.
Al igual que sus compañeros en perovskitas, Freitag dijo que trabajará a continuación para mejorar la estabilidad y escalabilidad de las células solares sensibilizadas con colorante.
Si alguna de las tecnologías avanza desde el laboratorio, sin duda tendrán amplias oportunidades para recolectar energía en el mundo real. Según algunas estimaciones, para 2025 se habrán instalado alrededor de 75 mil millones de dispositivos de Internet de las cosas en todo el mundo.
Brown, el investigador de perovskita, dijo que cree que “el mercado de entrada más atractivo con un potencial de crecimiento notable es el de la generación de energía en interiores”.
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