El proyecto HOPES ha adaptado células solares para aprovechar la luz artificial de interiores y alimentar dispositivos autónomos de bajo consumo, como sensores y registradores de datos, con eficiencias de conversión que alcanzan el 30% bajo iluminación interior.
La iniciativa, apoyada por las Acciones Marie Skłodowska-Curie y coordinada por Mariano Campoy-Quiles, se centra en captadores energéticos autónomos fuera de red capaces de obtener electricidad de fuentes ambientales como vibraciones, calor o luz. Según el investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, este enfoque resulta especialmente relevante para dispositivos del internet de las cosas porque reduce la dependencia de baterías, el mantenimiento asociado y la generación de residuos.
Según la síntesis de resultados recogida en CORDIS, la plataforma de la Comisión Europea que reúne información sobre los proyectos de investigación e innovación financiados por la Unión Europea, HOPES ha trabajado en el ajuste de células solares para captar luz artificial procedente de LED y bombillas. El equipo identificó qué tipo de iluminación se adapta mejor a cada material absorbente y optimizó el acoplamiento entre el captador y el emisor, en un entorno en el que existen numerosas fuentes de baja intensidad, con longitudes de onda de 400 a 700 nanómetros y una intensidad entre dos y tres veces inferior a la luz solar.
Optimización de la conversión de energía
Para seleccionar con rapidez los materiales de absorción más adecuados, el proyecto combinó evaluaciones fotovoltaicas de alta velocidad, unas 50 veces más rápidas que los métodos convencionales, con una fuente de luz bajo demanda capaz de generar diferentes condiciones espectrales de iluminación.
El equipo también modificó la velocidad de aplicación de recubrimientos personalizados sobre la capa activa del captador. Esta estrategia permitió fabricar varios espesores y evaluarlos de forma simultánea, en lugar de preparar dispositivos separados para cada condición de ensayo.
Dado que la estructura química de los semiconductores orgánicos condiciona sus propiedades ópticas, HOPES ajustó los materiales orgánicos para hacer coincidir mejor su perfil de absorción con emisiones concretas de luz artificial. El cribado de alto rendimiento se realizó con materiales orgánicos y sus mezclas en células solares con espesores de entre 50 y 450 nanómetros, además de capas activas con distintos gradientes en cuña.
Materiales para diferentes tipos de luz artificial
Las plataformas resultantes se probaron con luces de distintas temperaturas de color e intensidades. Los resultados mostraron que no todas las fuentes de iluminación artificial deben captarse con los mismos materiales, lo que refuerza la importancia de ajustar conjuntamente el material absorbente y el tipo de emisión luminosa.
La eficiencia de conversión lograda llegó al 30% en iluminación interior, frente al rendimiento habitual de las células solares orgánicas bajo sol, que se sitúa normalmente entre el 15% y el 20%. Una de las principales conclusiones del proyecto es que la eficiencia en interiores no depende solo de emplear el material con mejor comportamiento bajo iluminación solar, sino de considerar al mismo tiempo el tipo de material, el espesor de la capa activa y el espectro de iluminación.
La alimentación de sensores autónomos mediante luz interior podría facilitar su uso en aplicaciones como sensores de gas en edificios inteligentes, etiquetas electrónicas de estanterías en comercio minorista y mandos a distancia completamente inalámbricos para electrónica de consumo. El equipo considera que sus resultados pueden reducir el esfuerzo experimental necesario para desarrollar estos dispositivos, aunque Campoy-Quiles señala que la luz artificial y difusa, pese a ser abundante, está diluida, por lo que será necesario elevar la eficiencia incluso hasta el 40%.
Los investigadores también estudian combinar los procesos de optimización con análisis automatizado de datos y aprendizaje automático. El objetivo es orientar diseños avanzados con potencial de aplicación comercial en dispositivos autónomos alimentados por luz artificial de baja intensidad.