Le ombre sono spesso associate all’oscurità e all’incertezza. Ora, i ricercatori del NUS (National University of Singapore) stanno dando alle ombre una svolta positiva dimostrando un modo per sfruttare questo effetto ottico comune ma spesso trascurato per generare elettricità. Questo nuovo concetto apre nuovi approcci nella generazione di energia verde in condizioni di illuminazione interna per alimentare l’elettronica. Si può, dunque, generare elettricità dalle ombre?
Il generatore di energia a effetto ombra
Un team di NUS Materials Science and Engineering e NUS Physics ha creato un dispositivo chiamato generatore di energia a effetto ombra (SEG), che sfrutta il contrasto dell’illuminazione tra le aree illuminate e quelle in ombra per generare elettricità. La scoperta della loro ricerca è stata riportata sulla rivista scientifica Energy & Environmental Science il 15 aprile 2020.
“Le ombre sono onnipresenti e spesso le diamo per scontate. Nelle applicazioni fotovoltaiche o optoelettroniche convenzionali in cui viene utilizzata una fonte di luce costante per alimentare i dispositivi, la presenza di ombre è indesiderabile, poiché degrada le prestazioni dei dispositivi. In questo lavoro, abbiamo sfruttato il contrasto di illuminazione causato dalle ombre come fonte indiretta di energia. Il contrasto nell’illuminazione induce una differenza di tensione tra le sezioni in ombra e illuminate, con conseguente corrente elettrica. Questo nuovo concetto di raccolta di energia in presenza di ombre non ha precedenti”, ha spiegato il capo del gruppo di ricerca Assistant Professor Tan Swee Ching, che proviene da NUS Materials Science and Engineering.
La luce ambientale da interni
I dispositivi elettronici mobili come smartphone, occhiali intelligenti ed e-watch richiedono un’alimentazione efficiente e continua. Poiché questi dispositivi vengono indossati sia all’interno che all’esterno, le fonti di alimentazione indossabili che potrebbero sfruttare la luce ambientale possono potenzialmente migliorare la versatilità di questi dispositivi. Mentre le celle solari disponibili in commercio possono svolgere questo ruolo in un ambiente esterno, la loro efficienza di raccolta dell’energia diminuisce significativamente in condizioni interne dove le ombre sono persistenti. Questo nuovo approccio per recuperare energia sia dall’illuminazione che dalle ombre associate a basse intensità di luce per massimizzare l’efficienza della raccolta di energia è sia eccitante che tempestivo.
Per affrontare questa sfida tecnologica, il team di NUS ha sviluppato un SEG a basso costo e facile da fabbricare per svolgere due funzioni: (1) convertire il contrasto di illuminazione dalle proiezioni di ombre parziali in elettricità e (2) fungere da sensore di prossimità alimentato per monitorare gli oggetti in transito.
Elettricità dall’ombra
Il SEG comprende un insieme di celle SEG disposte su un film plastico flessibile e trasparente. Ogni cella SEG è un sottile film d’oro depositato su un wafer di silicio. Progettato con cura, il SEG può essere fabbricato a un costo inferiore rispetto alle celle solari al silicio commerciali. Il team ha quindi condotto esperimenti per testare le prestazioni del SEG nella generazione di elettricità e come sensore autoalimentato.
“Quando l’intera cella SEG è illuminata o in ombra, la quantità di elettricità generata è molto bassa o del tutto assente. Quando una parte della cella SEG è illuminata, viene rilevata un’uscita elettrica significativa. Abbiamo anche scoperto che la superficie ottimale per la generazione di elettricità è quando metà della cella SEG è illuminata e l’altra metà in ombra, poiché ciò fornisce un’area sufficiente rispettivamente per la generazione e la raccolta di carica”, ha affermato il co-team leader, il professor Andrew Wee, che è di NUS Physics.
Due volte più efficiente rispetto al silicio
Sulla base di esperimenti di laboratorio, il SEG a quattro celle del team è due volte più efficiente rispetto alle celle solari al silicio commerciali, sotto l’effetto delle ombre mutevoli. L’energia raccolta dal SEG in presenza di ombre create in condizioni di illuminazione interna è sufficiente per alimentare un orologio digitale (cioè 1,2 V).
Inoltre, il team ha anche dimostrato che il SEG può fungere da sensore autoalimentato per il monitoraggio di oggetti in movimento. Quando un oggetto passa accanto al SEG, proietta un’ombra intermittente sul dispositivo e attiva il sensore per registrare la presenza e il movimento dell’oggetto.
Verso costi inferiori e più funzionalità
Il team di sei membri ha impiegato quattro mesi per concettualizzare, sviluppare e perfezionare le prestazioni del dispositivo. Nella prossima fase di ricerca, il team NUS sperimenterà altri materiali, oltre all’oro, per ridurre il costo del SEG.
I ricercatori del NUS stanno anche cercando di sviluppare sensori autoalimentati con funzionalità versatili, nonché SEG indossabili attaccati agli indumenti per raccogliere energia durante le normali attività quotidiane. Un’altra promettente area di ricerca è lo sviluppo di pannelli SEG a basso costo per la raccolta efficiente di energia dall’illuminazione interna.
