Células solares para aplicações fotovoltaicas de interior

As primeiras células fotovoltaicos de estado sólido do mundo foram relatadas em 1883 e eram compostas pelo elemento químico selênio, a evolução deste conceito deu origem às atuais células solares fotovoltaicas.

Células solares para aplicações fotovoltaicas de interior

Num estudo recentemente publicado na Science Advances, Bin Yan e a sua equipa de investigadores em química, nanotecnologia e ciência de materiais na China revisitaram o conceito do material fotovoltaico mais antigo do mundo para descrever o seu papel em aplicações fotovoltaicas internas. O espectro de absorção do material combinou perfeitamente com os espectros de emissão das fontes de luz internas comummente usadas.

Os investigadores usaram módulos fotovoltaicos de selênio para produzir uma potência de saída de 232,6 μW obtida sob iluminação interna.

O campo da energia fotovoltaica

Em 1873, o engenheiro elétrico Willoughby Smith descobriu pela primeira vez a fotocondutividade do selênio , e Charles Fritts construiu as primeiras células solares de estado sólido em 1883, colocando o selênio entre uma folha de metal e uma fina camada de ouro.

A baixa eficiência de conversão de energia preliminar dessas primeiras descobertas iniciou pesquisas no campo da energia fotovoltaica e inspirou o surgimento de células solares em 1954, para estabelecer as bases da indústria fotovoltaica moderna.

Até recentemente, os cientistas haviam incorporado a energia fotovoltaica interna para converter a luz interna em energia elétrica utilizável para dispositivos sem fios, como sensores, atuadores e dispositivos de comunicação.

Neste trabalho, Yan et al. mostrou as vantagens únicas do uso de selênio para energia fotovoltaica interna com seu espetro adequadamente amplo e estabilidade ambiental intrínseca. A equipa também desenvolveu módulos de selênio para produzir uma potência de saída de 232,6 μW, para alimentar um dispositivo sem fios da Internet das coisas para localização baseada em identificação por radiofrequência.

Fotovoltaica para aplicações internas

Agora é possível alimentar os dispositivos da “internet das coisas – internet of things” (IoT) colhendo a luz interna por meio da energia fotovoltaica interna (IPV). O conceito é um campo de pesquisa crescente, onde uma variedade de tecnologias, incluindo células solares sensibilizadas por corante e fotovoltaica orgânica e células solares de perovskita de haleto de chumbo, são exploradas pelas suas funcionalidades.

A luz interna é normalmente projetada para se adequar à sensibilidade do olho humano, portanto, pelo design, seus elementos diferem dos fotovoltaicos convencionais externos. Quando as características existentes do selênio foram combinadas com sua não toxicidade e excelente estabilidade, Yan et al. considerou o material ideal para aplicações fotovoltaicas internas.

Otimizando o sistema para melhores resultados

A equipa de investigação adotou uma configuração de superstrato de vidro/óxido de estanho dopado com flúor com óxido de titânio/telúrio/selênio e ouro para desenvolver as células solares de selênio de película fina. Durante o processo, eles usaram óxido de titânio ecológico para formar a camada tampão e construíram os dispositivos não tóxicos à base de selênio para facilitar as aplicações de luz em ambientes internos.

Durante as experiências, eles estudaram as células solares de selênio sob iluminação padrão de um só sol e mediram o desempenho fotovoltaico interno de dispositivos sob luz interna de 1000 Lux, com uma fonte de luz LED comum para simular o ambiente de iluminação. Os resultados também levaram à otimização da camada de telúrio para facilitar intensidades de luz significativamente diferentes entre a luz interna e a luz solar.

A luz interna poderia, comparativamente, gerar apenas um número relativamente pequeno de portadores devido à sua intensidade muito fraca. A equipa, portanto, melhorou o dispositivo para obter um efeito de fotodopagem positivo para otimizar as células solares de selênio sob condições de luz interna. Yan et al. incorporou adicionalmente telúrio no interface de selênio/óxido de titânio para fornecer uma ligação forte para passivação de superfície.

Aplicações dos dispositivos

Células solares para aplicações fotovoltaicas de interior
Células solares para aplicações fotovoltaicas de interior

Os dispositivos podem ser usados ​​para investigar uma variedade de condições de iluminação interna normalmente necessárias para iluminar ambientes como a sala de estar, a biblioteca ou um supermercado bem iluminado.

As células solares de selênio superaram as células baseadas em silício que dominam o mercado e que são atualmente um padrão da indústria para energia fotovoltaica interna, em relação à eficiência e estabilidade da conversão de energia.

Células solares para aplicações fotovoltaicas de interior
Aplicação na alimentação de dispositivo sem fios IoT (A) Potência de emissão e espectro de potência integrado de um LED de 2700 K a 1000 lux. (B) Curvas JV do dispositivo Te de 2,5 nm sob iluminação a 200, 500 e 1000 lux. (C) Evolução de PCEs normalizados de dispositivo de Se não encapsulado sob iluminação interna contínua a 1000 lux em uma atmosfera ambiente. (D) Curvas JV de um dispositivo Se individual de grande área (2,25 cm2) e um módulo (3 × 2,25 cm2) sob iluminação interna de 1000 lux. Inserção: Fotografias de célula e módulo Se de grande área individual. (E) Esquema da etiqueta de localização baseada em RFID auto-alimentada habilitada pelo módulo Se sob iluminação de luz interna. (F) Número medido de sinais por minuto de uma etiqueta RFID alimentada por módulo Se. Créditos: Science Advances , DOI: 10.1126/sciadv.adc9923

Por outro lado, as células à base de silício exibiram apenas uma eficiência de conversão de energia abaixo de 10%, com fotoestabilidade relativamente mínima. Por conta dessas observações, a equipe considerou os dispositivos baseados em selênio um candidato alternativo mais atraente. Eles também estudaram a capacidade do dispositivo de selênio para alimentar os dispositivos “wireless” da “Internet of Things” (IoT).

Panorama futuro

Desta forma, Bin Yan e os seus colegas reinterpretaram o selênio, o mais antigo material fotovoltaico existente com o surgimento de dispositivos fotovoltaicos internos, devido à sua capacidade única de oferecer um amplo intervalo de banda adequado para a absorção de luz interna. O material não é tóxico e possui estabilidade ambiental intrínseca como caraterísticas essenciais.

Os cientistas otimizaram a composição do material para atingir uma eficiência de conversão de energia de 15%, adequada para iluminação interna de 1000 Lux com células de selênio.

Este resultado superou a eficiência existente das células de silício comerciais. Os dispositivos de selênio funcionaram sem degradação, mesmo após 1000 horas de iluminação interna contínua.

Os resultados do estudo destacam o escopo do uso de selênio para energia fotovoltaica interna com potencial adicional para alimentar os dispositivos da Internet das coisas como um elemento atraente na energia fotovoltaica.

Embora a energia produzida seja reduzida, será mais que suficiente para muitos dispositivos IoT, sensores, etiquetas RFID (para superfícies comerciais), etc. que beneficiariam do fim da troca de pilhas ou recarregamento de baterias, bastando-lhes a luz ambiente para se manterem em funcionamento.

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