Le celle solari tradizionali raccolgono energia dal sole diretto, ma le nuove frontiere del fotovoltaico puntano a generare energia anche in ambienti interni con luce artificiale o diffusa. Al fraunhofer ISE di Friburgo, in Germania, un team di ricercatori ha sviluppato celle solari a base di fosfuro di gallio e indio di tipo n, capaci di convertire la luce ambientale in elettricità con un’efficienza sopra il 40%. Questa tecnologia promette di alimentare dispositivi elettronici a basso consumo nelle case, negli uffici o in qualsiasi spazio chiuso dove la luce solare diretta non è disponibile.
Cosa significa il fotovoltaico da interni e come funziona
Il fotovoltaico da interni sfrutta la luce artificiale, come quella dei led o delle lampade fluorescenti, o quella naturale ma diffusa, con intensità molto inferiore a quella del sole. Le celle solari classiche operano con una radiazione solare di circa 1000 watt per metro quadrato, mentre le celle indoor funzionano con livelli di illuminazione estremamente più bassi, spesso nell’ordine di pochi milliwatt o al massimo 1-2 watt per metro quadrato. Questo implica che la quantità di energia prodotta è ridotta, ma resta sufficiente per alimentare dispositivi elettronici che consumano poco, come sensori wireless o altri componenti dell’internet delle cose .
L’interesse per questo tipo di fotovoltaico cresce perché permette di evitare batterie ingombranti o complicate alimentazioni cablate. In contesti dove sostituire una batteria è problematico o costoso, una cella capace di generare energia dall’ambiente interno può rendere autonoma la funzionalità del dispositivo. Nel settore della domotica, della sensoristica ambientale e della sicurezza, questa tecnologia apre prospettive interessanti per il funzionamento continuo e senza interventi manuali.
Le caratteristiche del fosfuro di gallio e indio nella tecnologia GaInP
Nel panorama delle tecnologie per il fotovoltaico indoor, molte puntano a materiali con bandgap regolabile per adattarsi allo spettro della luce ambientale. La perovskite è uno dei materiali più studiati, per l’alta efficienza raggiunta, ma presenta problemi di stabilità che limitano la durata nel tempo. Il fraunhofer ISE ha scelto invece un approccio diverso, lavorando con i semiconduttori del gruppo III-V, nello specifico il fosfuro di gallio e indio .
Il GaInP ha un bandgap di circa 1,9 eV, quasi ideale per assorbire la luce che troviamo all’interno degli ambienti. Questo permette alla cella di mantenere prestazioni elevate anche con livelli di illuminazione bassi. L’attenzione è stata posta sulle celle di tipo n, un tipo di doping del materiale che influisce sulla dinamica dei portatori di carica, ossia gli elettroni e le lacune generati dalla luce. I ricercatori hanno confrontato il comportamento tra semiconduttori di tipo p e tipo n nella gestione di questi portatori, prestando particolare attenzione al tempo di vita utile prima della ricombinazione.
L’effetto del doping di tipo n sulle prestazioni delle celle GaInP
Nei semiconduttori di tipo n, gli elettroni liberi sono la maggioranza, mentre le lacune sono pochi. Nel tipo p, la situazione è inversa. Lo studio del fraunhofer ISE ha mostrato che le celle GaInP di tipo n trattengono i portatori di carica più a lungo rispetto a quelle di tipo p. Questo significa che l’elettricità generata dalla luce ambientale si mantiene stabile più a lungo, dando luogo a una maggiore efficienza nella conversione della luce in energia elettrica.
In condizioni di illuminazione molto bassa, sotto i 100 lux per esempio, il materiale di tipo n ha dimostrato tempi di vita dei portatori minoritari più lunghi di due ordini di grandezza, il che riduce la perdita di energia dovuta alla ricombinazione non radiativa. La migliore conservazione dei portatori minimizza le inefficienze nella conversione e, di riflesso, migliora la tensione a circuito aperto e il fattore di riempimento , parametri cruciali per la resa della cella solare.
Malte Klitzke, responsabile principale dello studio, ha sottolineato l’importanza di questa scoperta nella realizzazione di celle con prestazioni elevate in condizioni di illuminazione indoor. La differenza nei comportamenti tra tipo n e tipo p è stata chiave per raggiungere i risultati riportati.
Risultati sperimentali e applicazioni possibili delle celle GaInP
Le celle solari GaInP di tipo n sviluppate al fraunhofer ISE sono state testate con varie intensità di luce interna. A un livello di 100 lux, pari a una stanza poco illuminata, la cella ha mostrato una tensione a circuito aperto di 242 millivolt e un’efficienza del 37,5%. Aumentando la luminosità fino a 1000 lux, situazione tipica di ambienti ben illuminati con luce artificiale, l’efficienza è salita al 41,4%.
Questi valori sono particolarmente alti per il fotovoltaico indoor e indicano la possibilità di alimentare dispositivi elettronici piccoli, come sensori o dispositivi IoT, con una fonte energetica autonoma, senza ricorrere a batterie. La lunga durata e la stabilità di questi materiali garantiscono un funzionamento affidabile nel tempo.
La ricerca di fraunhofer È stata pubblicata su Applied Physics Letters, una rivista specializzata che conferma la rilevanza del lavoro nel campo della fisica applicata. L’avanzamento apre la strada a un uso più diffuso di energie rinnovabili anche all’interno delle abitazioni e degli ambienti lavorativi, ampliando il concetto di energia solare oltre la sua forma tradizionale.
