Usando el "efecto sombra" para generar electricidad

Las sombras se asocian a menudo con la oscuridad y la incertidumbre. Ahora, los investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) están dando un giro positivo a las sombras demostrando una manera de aprovechar este efecto óptico común, pero a menudo pasado por alto, para generar electricidad. Este novedoso concepto abre nuevos enfoques en la generación de energía verde bajo condiciones de iluminación interior para alimentar la electrónica.

Un equipo del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la NUS, así como del Departamento de Física de la NUS, creó un dispositivo llamado generador de energía por efecto de sombra (SEG), que utiliza el contraste de iluminación entre las zonas iluminadas y sombreadas para generar electricidad. Su avance en la investigación fue reportado en la revista científica Energy & Environmental Science el 15 de abril de 2020.

"Las sombras son omnipresentes, y a menudo las damos por sentado. En las aplicaciones fotovoltaicas u optoelectrónicas convencionales en las que se utiliza una fuente de luz constante para alimentar los dispositivos, la presencia de sombras es indeseable, ya que degrada el rendimiento de los dispositivos. En este trabajo, hemos capitalizado el contraste de iluminación causado por las sombras como fuente de energía indirecta. El contraste de iluminación induce una diferencia de voltaje entre las secciones sombreadas e iluminadas, lo que da lugar a una corriente eléctrica. Este novedoso concepto de captación de energía en presencia de sombras no tiene precedentes", explicó el jefe del equipo de investigación, el profesor adjunto Tan Swee Ching, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Nueva York.

Los dispositivos electrónicos móviles como teléfonos inteligentes, gafas inteligentes y relojes electrónicos requieren un suministro de energía eficiente y continuo. Como estos dispositivos se usan tanto en interiores como en exteriores, las fuentes de energía que se pueden llevar puestas y que podrían aprovechar la luz ambiental pueden mejorar potencialmente la versatilidad de estos dispositivos. Mientras que las células solares disponibles comercialmente pueden desempeñar esta función en un entorno exterior, su eficiencia en el aprovechamiento de la energía disminuye significativamente en condiciones interiores donde las sombras son persistentes. Este nuevo enfoque de aprovechar la energía tanto de la iluminación como de las sombras asociadas a las bajas intensidades de luz para maximizar la eficiencia de la recolección de energía es a la vez emocionante y oportuno.

Para afrontar este desafío tecnológico, el equipo de la NUS desarrolló un SEG de bajo costo y fácil de fabricar para realizar dos funciones: (1) convertir el contraste de iluminación de las sombras parciales en electricidad, y (2) servir como un sensor de proximidad autoalimentado para monitorear los objetos que pasan.

Generar electricidad usando el "efecto sombra

El SEG está compuesto por un conjunto de células SEG dispuestas en una película plástica flexible y transparente. Cada célula SEG es una fina película de oro depositada en una oblea de silicio. Cuidadosamente diseñada, la SEG puede ser fabricada a un costo menor comparado con las células solares de silicio comerciales. El equipo luego realizó experimentos para probar el desempeño del SEG en la generación de electricidad y como un sensor autoalimentado.

"Cuando toda la célula del SEG está iluminada o en sombra, la cantidad de electricidad generada es muy baja o nula. Cuando una parte de la célula SEG está iluminada, se detecta una salida eléctrica significativa. También encontramos que el área superficial óptima para la generación de electricidad es cuando la mitad de la célula SEG está iluminada y la otra mitad en la sombra, ya que esto da suficiente área para la generación y recolección de carga respectivamente", dijo el co-líder del equipo, el Profesor Andrew Wee, que es del Departamento de Física de la NUS.

Basado en experimentos de laboratorio, el SEG de cuatro células del equipo es dos veces más eficiente cuando se compara con las células solares de silicio comerciales, bajo el efecto de las sombras cambiantes. La energía cosechada del SEG en presencia de sombras creadas bajo condiciones de iluminación interior es suficiente para alimentar un reloj digital (es decir, 1,2 V).

Además, el equipo también demostró que el SEG puede servir como un sensor autoalimentado para monitorear objetos en movimiento. Cuando un objeto pasa por el SEG, éste proyecta una sombra intermitente sobre el dispositivo y activa el sensor para registrar la presencia y el movimiento del objeto.

Hacia un menor costo y más funcionalidades

El equipo de seis miembros tomó cuatro meses para conceptualizar, desarrollar y perfeccionar el rendimiento del dispositivo. En la siguiente fase de investigación, el equipo de la NUS experimentará con otros materiales, además del oro, para reducir el coste del SEG.

Los investigadores de la NUS también están estudiando el desarrollo de sensores autoalimentados con funcionalidades versátiles, así como de SEGs vestibles unidos a la ropa para recoger energía durante las actividades diarias normales. Otra prometedora área de investigación es el desarrollo de paneles de SEG de bajo costo para la recolección eficiente de energía de la iluminación interior.