Sensori, termostati e telecomandi: un domani potranno funzionare senza batterie

I piccoli dispositivi elettronici a bassa potenza presenti nelle case e negli uffici, come sensori, termostati e telecomandi, potrebbero un giorno funzionare senza batterie ed essere alimentati dalla luce artificiale. Ci lavora un gruppo di ricercatori della Pennsylvania State University, di cui fanno parte Nutifafa Doumon e Ivy Asuo, professori di scienza e ingegneria dei materiali. Il tema è destinato a pesare: secondo le stime di IoT Analytics citate dallo studio, i dispositivi connessi arriveranno a 40 miliardi entro il 2030, e per gli autori alimentarli tutti con le batterie sarebbe insostenibile. I ricercatori hanno pubblicato su APL Energy i risultati ottenuti con una cella solare alla perovskite che, sotto una comune lampada led con un’illuminazione di 1.000 lux, tipica di un ambiente interno molto luminoso, converte in elettricità il 36,2% dell’energia luminosa che riceve. Il dato è interessante soprattutto per come è stato ottenuto, anche se c’è ancora molta strada da fare per una scala industriale.

Perché con la luce indoor è più complicato

“Invece di dover assorbire lo spettro ampio della luce solare, i fotovoltaici per interni devono assorbire solo lo spettro molto più debole e stretto della luce indoor”, ha spiegato Doumon in una nota diffusa dall’ateneo. La luce delle lampade è concentrata nel visibile e richiede un materiale con una banda proibita più larga, cioè più selettivo: scarta i fotoni meno energetici, le particelle di cui è fatta la luce, e sfrutta meglio quelli che assorbe. Secondo la ricerca, in queste condizioni il limite teorico di efficienza, cioè il massimo raggiungibile da una cella ideale, è molto più alto che con la luce del sole. Ecco perché al chiuso si possono ottenere efficienze più alte che all’aperto: le celle alla perovskite esposte al sole hanno raggiunto un valore certificato del 27%, contro il 36,2% del dispositivo della ricerca scientifica. I due numeri però non sono confrontabili, perché cambia la luce: quella di una lampada è oltre 300 volte più debole di quella del pieno sole. Una percentuale più alta su una luce così debole produce comunque molta meno energia in assoluto.

Tre “ingredienti” per la ricetta

Il gruppo ha lavorato su tre fronti. Il primo è la composizione. La perovskite, il materiale che assorbe la luce nella cella, è un cristallo a base di piombo, iodio e bromo; aumentando la quota di bromo rispetto a quella di iodio la banda proibita si allarga. Justin Lin, dottorando e primo autore, ha preparato sei composizioni con quantità diverse di bromo e ha misurato quale funzionasse meglio con la luce delle lampade. Ha vinto quella con il 35% di bromo, la più adatta all’illuminazione interna. Il secondo intervento riguarda la formazione del film sottile di perovskite. il materiale parte in soluzione e cristallizza man mano che il liquido evapora; in questa fase si aggiunge un antisolvente – un liquido in cui non si scioglie – che guida la crescita dei cristalli. Il terzo è uno strato protettivo: sopra la perovskite si deposita un sale a base di bromo che forma una pellicola sottilissima. Serve a neutralizzare i difetti del cristallo, punti in cui le cariche elettriche generate dalla luce restano intrappolate e perdono energia sotto forma di calore invece di diventare corrente. Nel confronto con un sale analogo a base di iodio, già usato in altri studi, ha funzionato meglio quello con il bromo. Inoltre il beneficio cresce quando la luce cala, come mostrano le misure a diverse intensità, perché le cariche sono meno e i difetti pesano di più.

Che cosa fa davvero la differenza

Il 36,2% è il risultato del dispositivo migliore; la media di almeno cinque dispositivi è del 35,5%. I tre ingredienti però non pesano allo stesso modo. Senza lo strato protettivo la composizione ottimizzata arriva a un’efficienza di circa il 30%, quasi identica a quella di partenza; con il sale entrambe salgono di circa cinque punti percentuali. Il grosso del guadagno, in altre parole, viene dalla protezione della superficie, mentre la composizione ottimizzata aggiunge meno di un punto percentuale. Questo non toglie senso alla scelta del bromo. Le perovskiti ricche di bromo assorbono meglio la luce delle lampade ma sono state spesso evitate perché meno stabili, e proprio qui sta il contributo più interessante dello studio.

Fino a 240 ore di operatività

La stabilità è stata verificata in atmosfera di azoto, facendo lavorare i dispositivi alla massima potenza sotto una lampada led a luce bianca calda. Con la luce di un ambiente interno molto luminoso tutte le versioni reggono per 240 ore senza segni rilevanti di degrado. Per accelerare l’invecchiamento gli autori hanno poi portato l’intensità a dieci volte tanto, e qui le differenze emergono. La versione ricca di bromo e senza sale perde prestazioni in modo continuo e scende all’80% del valore iniziale entro 140 ore. Con il sale resta stabile per tutta la durata del test, come la versione con meno bromo.

Tutti i limiti e gli attuali difetti

Il calore è il punto debole. Portati a 65°C, i dispositivi ricchi di bromo hanno perso prestazioni sia con il sale sia senza: lo strato protettivo qui non ha aiutato. Gli autori ricordano che il bromo lascia il cristallo a temperature più basse dello iodio, e che più bromo significa più difetti e quindi un degrado più rapido. Gli altri limiti riguardano la scala e il contesto. I dispositivi sono prototipi da laboratorio di meno di un decimo di centimetro quadrato, testati in azoto e non in condizioni reali d’uso. “Le celle per interni hanno il potenziale di alimentare la prossima generazione di dispositivi di consumo, come termostati intelligenti, dispositivi medici indossabili e telecomandi, ma non ci siamo ancora”, ha detto Doumon. “Poiché questi materiali tendono a degradarsi rapidamente in ambienti più difficili, dobbiamo renderli più durevoli. Dobbiamo anche migliorare la nostra capacità di misurarli con precisione”. Il risultato non è nemmeno un primato: altri gruppi hanno riportato efficienze più alte, anche oltre il 44%, ma con sorgenti luminose diverse e quindi non del tutto confrontabili.C’è poi un aspetto ambientale che lo studio lascia fuori. La ricerca è motivata dai problemi delle batterie, dalle materie prime critiche allo smaltimento, ma non affronta il bilancio della soluzione proposta: la perovskite usata contiene piombo, un metallo tossico, e non ci sono analisi su ciclo di vita, riciclo o smaltimento delle celle, né un confronto con l’impatto delle batterie che dovrebbero sostituire.