Start-up per il riutilizzo della luminosità ambientale

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È nei laboratori del Politecnico di Losanna che da qualche anno si studiano a fondo le tecnologie che consentono di fabbricare celle fotovoltaiche miniaturizzate usando materiali ecologici, pur ottenendo nel contempo un’elevata efficienza di conversione dell’energia. Da poco sono nate due giovani start-up che hanno messo in pratica i risultati raggiunti nelle rispettive ricerche e oggi stanno già producendo le minicelle solari con caratteristiche di versatilità di utilizzo particolarmente adatte per l’impiego nei prodotti per l’energy harvesting.

Il recupero dell’energia ambientale dispersa è secondo molti analisti una delle più importanti risorse energetiche che potrà consentire fra breve di alimentare una gran quantità di apparecchi portatili, palmari e indossabili. La conversione dell’energia dalla forma luminosa è senza dubbio considerata la tecnologia più promettente a patto di riuscire a miniaturizzarla ed è per questo che va considerato di grande importanza il lavoro fatto da questi ricercatori.

Fotodiodi dinamici 

Fig. 1 – Il buon rendimento e i bassi consumi dei Dynamic PhotoDiode di ActLight consentono lo sviluppo di molte nuove applicazioni fra cui il controllo gestuale e la visione 3D, ma nella versione Smart Solar diventano ottimi convertitori per l’energy harvesting

ActLight è stata fondata da due ingegneri a Losanna nel 2011 con la missione di sviluppare nuovi fotorivelatori capaci di migliorare l’efficienza delle tecnologie di energy harvesting e particolarmente adatti per l’implementazione single-chip delle celle fotovoltaiche. La tecnologia dei fotodiodi dinamici, o Dynamic PhotoDiode (DPD), è interessante dal punto di vista circuitale perché la fotorivelazione avviene quando si commuta la tensione applicata sulla giunzione da inversa a diretta e termina quando la si ripolarizza inversamente.

Ciò significa che nei DPD si può triggerare nel tempo la misura della luce incidente e quindi la fotocorrente generata impostando i periodi di attivazione più adatti alle applicazioni e creando nuove opportunità applicative. Inoltre, l’efficienza di conversione della giunzione in polarizzazione diretta è migliore rispetto a molte altre celle con giunzioni a polarizzazione inversa e ciò consente di produrre correnti significative anche con radiazione luminosa scarsa.

Gli esperti svizzeri hanno già sperimentato i DPD in molti modi e, per esempio, nei touchscreen dove possono servire da sensori di prossimità che funzionano solo nei tempi di attivazione e rimangono spenti quando non li si usa economizzando gran parte dell’energia che viene invece inutilmente dispersa per polarizzare gli altri tipi di sensori di prossimità utilizzati a tal scopo. Un’altra possibilità applicativa è rappresentata dai sensori di controllo gestuale oggi installati sia nei tablet che negli smartphone per interpretare i movimenti delle mani in 2D e in 3D. Le piccole dimensioni e i bassi consumi sono i vantaggi che i DPD offrono in quest’applicazione rispetto a molti altri sensori di immagine.

L’elevato rendimento e la selettività operativa dei DPD consentono, inoltre, di utilizzarli per ricevere dati trasferiti dai diodi usando i segnali ottici ottenendo un’elevata velocità di comunicazione insieme a un basso consumo di potenza. ActLight ha sperimentato link ottici fra smartphone e tablet di ben 1 Gbps e quindi molto più veloci rispetto alle attuali tecnologie WiFi e Bluetooth.

Nel contempo sta sperimentando la possibilità di realizzare collegamenti in fibra ottica utilizzabili proprio per i trasferimenti dati rapidi fra server, computer e/o terminali mobili. Il basso voltaggio di lavoro (circa 1 Volt) e la possibilità di triggerare nel tempo con periodi di appena 20 ps permettono di abbattere il rapporto segnale/rumore di cinque o sei ordini di grandezza rispetto ai diodi a valanga realizzati in tecnologia CMOS standard. Ciò consente di realizzare sensori di visione ideali per le camere 3D capaci di catturare i particolari delle immagini nelle tre dimensioni e utilizzate sempre più in medicina, nella robotica, nella sorveglianza e nelle applicazioni automotive.

Infine, i DPD sono ottimi nei microimpianti per la conversione dell’energia solare in energia elettrica e perciò adatti per l’installazione sui piccoli apparecchi portatili dove offrono un buon rendimento unito a un’elevata affidabilità. ActLight ha sviluppato la linea Smart Solar proprio per fornire energia ai piccoli sistemi portatili e Intel se ne è interessata perché reputa questa tecnologia molto adatta per supportare le applicazioni di nuova generazione always-on-always-connected.

Fig. 2 – Le DSSC di G24 Power sono piccole, leggere, robuste ed elastiche e consentono di catturare la luce visibile con un processo simile alla fotosintesi per riconvertirla in energia elettrica con elevata efficienza e ottima versatilità applicativa

Celle sul silicio

G24 Power è stata fondata per produrre e commercializzare le Dye-Sensitized-Solar-Cells (DSSC) ideate dal professor Michael Gräetzel della École Polytechnique Fédérale de Lausanne. La denominazione Green 24-hour Power esprime il concetto delle celle DSSC capaci di generare energia elettrica convertendo qualsiasi tipo di radiazione luminosa solare, naturale o artificiale sia forte come il sole sia debole come una lampadina. L’esimio professor Gräetzel ha concepito e brevettato le GCell ispirandosi al processo della fotosintesi e sfruttando le novità recentemente introdotte nella nanotecnologia per adattare l’efficienza di conversione alla quantità di luce di volta in volta rilevata soprattutto nel visibile.

La Artificial Photosynthesis, in pratica, è molto simile alla fotosintesi nella quale la luce incidente induce la trasformazione di un elettrolita a base di porfirina e cobalto per produrre elettroni liberi che si propagano come corrente attraverso un particolare elettrodo formato da una membrana nanocristallina di biossido di titanio nella quale alcuni elettroni fuoriescono verso le applicazioni ma gli altri restano in circolo e tornano all’elettrodo primario da dove concorrono a mantenere attiva la trasformazione dell’elettrolita.

Lo spettro di assorbimento della GCell va da 390 a 700 nm con efficienza media di circa il 50% ma il picco di assorbimento si ha da 500 a 550 nm ossia proprio nella luce visibile dove il rendimento sale a oltre il 75%. In effetti, è un’efficienza molto simile a quella dei nostri occhi e lo è anche la sensibilità che può adattarsi alle diverse condizioni di luminosità dai 100000 lux dell’esposizione diretta al sole ai 10000 in condizioni di nuvolosità, dai 1000 lux all’interno di un supermercato ai 100 lux di una lampadina da salotto.

La potenza emessa dalle DSSC va da 4 a 7 µW/cm² a seconda del modello con tolleranza termica da +10 a +50 °C mentre la Photoelectric Conversion Efficiency (PCE) ha una leggera dipendenza dall’angolo di incidenza e per cui dalla perpendicolare fino a un’inclinazione di 60° c’è una riduzione di efficienza inferiore al 5% compatibile con tutte le moderne sorgenti luminose a LED.

Questa tecnologia offre numerosi vantaggi come la robustezza e l’ecosostenibilità dei materiali che pesano appena 59 mg per cm² ma sono elastici e consentono di curvare ogni cella per adattarla alle geometrie dei supporti applicativi nonché fletterla fino a un raggio di 25 mm senza alcuna penalizzazione nelle prestazioni. L’elevata efficienza e le piccole dimensioni, inoltre, sono due importanti valori che consentono di utilizzare le DSSC per catturare l’illuminazione diffusa negli ambienti e riconvertirla in energia elettrica utilizzabile per alimentare batterie ricaricabili, supercondensatori e anche dispositivi elettronici indossabili.

Nelle sperimentazioni condotte dagli esperti di G24 Power le DSSC offrono nelle applicazioni di energy harvesting un rendimento superiore a molte altre celle basate sugli effetti piezoelettrico, vibrazionale e termoelettrico e perciò sono davvero in grado di rendere queste soluzioni un po’ più popolari. L’intenzione della società è di quadruplicare la capacità produttiva ampliando gli attuali stabilimenti di 89mila metri quadri fino a ben 500mila entro i prossimi due anni.

Lucio Pellizzari

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