I ricercatori dell’Università di Friburgo, in Germania, hanno progettato una fotobatteria integrata monoliticamente che, secondo quanto riferito, è in grado di raggiungere tensioni sufficientemente elevate da poter essere utilizzata per applicazioni Internet of Things (IoT).
Il sistema combina una cella solare organica multigiunzione con una batteria organica a due ioni. “Dispositivi miniaturizzati come questi, sviluppati nell’ambito del concetto dell’Internet delle cose, richiedono fonti di energia il più possibile compatte per poter funzionare autonomamente”, hanno spiegato gli scienziati, aggiungendo che gli ambienti IoT hanno severe limitazioni intrinseche per quanto riguarda le dimensioni.
La batteria ha un materiale catodico attivo basato su polimeri redox coniugati di fenotiazina e un materiale anodico basato su litio metallico. La sua tensione di cella è di 3,7 V, un valore che richiede che la cella solare utilizzata nel sistema abbia una tensione sufficiente per poter fotocaricare la batteria senza alcuna tensione o corrente esterna aggiuntiva.
La cella solare organica di 1 cm2 è costituita da un dispositivo a 5 giunzioni con architettura invertita. Ciascuna delle cinque unità della cella comprende un substrato di vetro e ossido di indio-stagno (ITO), uno strato di trasporto degli elettroni (ETL) in ossido di zinco (ZnO), un assorbitore organico composto da due polimeri noti come PM6 e PC60BM, uno strato di trasporto delle buche (HTL) basato su PEDOT:PSS e un contatto metallico in argento.
“L’unità di ripetizione è stata rivestita più volte, con gli stessi parametri delle celle a giunzione singola”, hanno spiegato i ricercatori, aggiungendo di aver utilizzato un nastro di alluminio (Al) per collegare i due elettrodi della cella solare agli elettrodi del supporto della batteria e un film isolante per evitare lo shunting.
Testata in condizioni di illuminazione a 1 sole, la cella solare ha raggiunto una tensione a circuito aperto di 4,2 V, che secondo il gruppo è uno dei valori più alti mai raggiunti per le celle solari elaborate in soluzione.
Sfruttando questo alto livello di tensione e un attento controllo dell’intensità dell’illuminazione e della velocità di scarica, la batteria fotovoltaica a doppio ione ha potuto essere caricata in meno di 15 minuti con capacità di scarica fino a 22 mAh/g. Il sistema può inoltre raggiungere un potenziale di scarica medio di 3,6 V, una densità energetica di 69 mWh/g e una densità di potenza di 95 mW/g.
“La fotobatteria qui presentata, pur essendo significativamente ottimizzabile, rappresenta un grande passo avanti nello sviluppo di fonti di energia compatte per applicazioni integrate a bassa potenza e aprirà la strada a futuri sviluppi di tali dispositivi utilizzando materiali attivi organici”, hanno dichiarato i ricercatori.
Gli scienziati hanno presentato la tecnologia della batteria nell’articolo “Organic photo-battery with high operating voltage using a multi-junction organic solar cell and an organic redox-polymer-based battery”, pubblicato su Energy & Environmental Science.
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