Shadow Effect: generare energia dall’ombra

Nel costante sforzo per sfruttare al massimo le risorse energetiche a nostra disposizione, un'innovazione che sta guadagnando terreno è un generatore di energia alimentato dallo Shadow Effect, o effetto ombra. Questa tecnologia promettente si basa sull'idea rivoluzionaria di catturare energia anche quando le ombre sembrano oscurare la fonte solare o ambientale. In questo articolo, esploriamo il mondo affascinante dei generatori di energia che trasformano le ombre in risorse, analizzando come questa tecnologia si sta affermando come una soluzione promettente per ottimizzare la produzione energetica in condizioni non ideali. Dalla progettazione intelligente di dispositivi di cattura all'impiego di materiali avanzati, scopriremo come gli ingegneri stanno sfidando le limitazioni tradizionali per generare energia anche quando il sole sembra nascondersi. Un'occhiata ravvicinata a questa innovazione rivelerà non solo il potenziale per aumentare l'efficienza energetica, ma anche la possibilità di trasformare le ombre stesse in alleate nella nostra ricerca di soluzioni sostenibili.

Introduzione

I dispositivi elettronici mobili, come smartphone, occhiali intelligenti e orologi elettronici, necessitano di un'alimentazione continua ed efficiente. Poiché vengono utilizzati sia in ambienti interni che esterni, l'implementazione di fonti di energia indossabili, capaci di sfruttare la luce ambientale, potrebbe notevolmente potenziare la versatilità di tali dispositivi. Sebbene le tradizionali celle fotovoltaiche siano idonee per ambienti esterni, la loro efficienza declina significativamente in contesti interni, dove le ombre sono più persistenti. Esplorare tecnologie innovative di raccolta energetica che superino questa limitazione diventa cruciale per garantire una fornitura energetica affidabile e sostenibile per i dispositivi wearable, soddisfacendo così le esigenze dinamiche degli utenti in vari ambienti.

Un nuovo dispositivo sfrutta il contrasto tra i punti luminosi e le ombre per creare una corrente in grado di alimentare piccoli dispositivi elettronici. "Possiamo raccogliere energia ovunque sulla Terra, non solo negli spazi aperti", spiega Swee Ching Tan, scienziato dei materiali dell'Università Nazionale di Singapore. Questo nuovo approccio per recuperare energia sia dall'illuminazione che dalle ombre associate a basse intensità luminose, infatti, massimizza l'efficienza della raccolta di energia.

Tan e il suo team hanno creato il dispositivo, chiamato generatore di energia a effetto ombra, posizionando un rivestimento sottilissimo di oro sul silicio, un materiale tipico delle celle fotovoltaiche. Come in una cella fotovoltaica, la luce che illumina il silicio dà energia ai suoi elettroni. Grazie allo strato d'oro, il generatore di energia a effetto ombra produce una corrente elettrica quando una parte del dispositivo è in ombra.

Gli elettroni eccitati saltano dal silicio all'oro. Il contrasto di illuminazione induce una differenza di tensione tra le sezioni in ombra e quelle illuminate, generando una corrente elettrica. Con una parte del dispositivo in ombra, la tensione del metallo illuminato aumenta rispetto all'area scura e gli elettroni nel generatore passano dall'alta alla bassa tensione. Inviandoli attraverso un circuito esterno, si crea una corrente che può alimentare un dispositivo.

Con otto generatori, il team ha fatto funzionare un orologio elettronico in condizioni di scarsa illuminazione. I dispositivi possono anche servire come sensori. Quando passava un'auto telecomandata, per esempio, la sua ombra cadeva su un generatore, creando l'elettricità necessaria per illuminare un LED.

Generare energia dall'ombra

Il generatore innovativo proposto è costituito da una serie di celle disposte su una pellicola flessibile e trasparente in plastica. Ciascuna cella è composta da un sottile film d'oro depositato su un wafer di silicio. Grazie a un approccio di progettazione attento, è possibile realizzare questo generatore a un costo inferiore rispetto alle convenzionali celle fotovoltaiche in silicio presenti sul mercato. Attraverso rigorosi test di performance, il dispositivo ha dimostrato un'efficacia notevole, confermandosi non solo come generatore di energia efficiente, ma anche come sensore autoalimentato. Questa soluzione non solo promette di ridurre i costi di produzione, ma indica anche un'evoluzione significativa nelle tecnologie di raccolta e utilizzo dell'energia.

In condizioni di illuminazione totale o completa ombra, la generazione di elettricità è insignificante o nulla. Tuttavia, quando una porzione della cella è esposta alla luce, si verifica una produzione elettrica sostanziale. L'ottimizzazione si verifica quando metà della cella è illuminata e l'altra metà è in ombra, creando un equilibrio ideale per la generazione e la raccolta di carica.

Sulla base di esperimenti di laboratorio, il generatore a quattro celle SEG (shadow-effect energy generator) è due volte più efficiente rispetto alle celle fotovoltaiche al silicio commerciali, sotto l'effetto di ombre mutevoli. L'energia raccolta dal SEG in presenza di ombre create in condizioni di illuminazione interna è sufficiente ad alimentare un orologio digitale (1,2 V).

Inoltre, il SEG può servire come sensore autoalimentato per monitorare gli oggetti in movimento. Quando un oggetto passa accanto al SEG, proietta un'ombra intermittente sul dispositivo e attiva il sensore per registrare la presenza e il movimento dell'oggetto. Uno dei prerequisiti per ottenere la differenza di potenziale tra le regioni illuminate e quelle in ombra è l'esistenza della barriera di potenziale Schottky all'interfaccia strato attivo/elettrodo; si tratta di una barriera di potenziale formata da una giunzione metallo-semiconduttore che possiede caratteristiche rettificanti, adatta ad essere usata come diodo. Le maggiori differenze fra una barriera Schottky e una giunzione p-n sono la sua bassa tensione di giunzione e la sua piccola regione di carica nel metallo. Questa barriera può essere superata sotto l'illuminazione attraverso l'accumulo di elettroni e successivamente provoca l'iniezione di elettroni dallo strato attivo all'elettrodo. In genere, gli stati dell'interfaccia tra lo strato attivo e l'elettrodo giocano un ruolo importante nel determinare molti aspetti del comportamento elettrico dei dispositivi.

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