El proyecto europeo Suministro de energía portátil y de cero emisiones totalmente basado en óxidos (FOXES) tiene el objetivo de proporcionar alimentación a los dispositivos inalámbricos de IoT. Para ello, el consorcio del proyecto desarrollará un dispositivo compacto, denominado FOXES Power Cube, que combinará una célula solar de alta eficiencia, un condensador multicapa y un circuito de gestión de energía capaz de garantizar el funcionamiento totalmente autónomo de un nodo sensor IoT.
Por otro lado, el proyecto definirá una hoja de ruta para ampliar esta tecnología y desarrollará los métodos de caracterización necesarios para garantizar una fabricación, integración y operación confiable de FOXES Power Cube en nodos sensores en entornos urbanos reales.
De esta forma, la tecnología desarrollada por FOXES permitirá crear una nueva generación de energía para aplicaciones que requieren autonomía energética, desde redes de sensores y dispositivos IoT hasta el sector transporte, entornos industriales y situaciones de emergencia.
Para ello, el proyecto cuenta con un consorcio compuesto por cuatro entidades, procedentes de España, Alemania y Portugal; y está liderado por el Centro de Materiales Leoben Forschung (Austria). La participación española está representada por la Universidad de Barcelona.
Con un presupuesto de 3.992.100 euros, íntegramente financiados por el programa de investigación Horizonte 2020 de la Comisión Europea, y con una duración de cuatro años (octubre 2020 a septiembre de 2024), el consorcio está trabajando para crear el prototipo de FOXES Power Cube.
Este sistema tiene como principal característica generar y almacenar energía con cero emisiones para alimentar a los dispositivos inalámbricos, como sensores. Esto será posible gracias a la combinación de un recolector de energía fotovoltaica con un condensador multicapa, que permitirá un funcionamiento energético autónomo.
FOXES Power Cube
En concreto, FOXES Power Cube tendrá una dimensión de 2×2 cm² y se compondrá por tres elementos: una célula solar de perovskita (PSC) sin plomo para la recolección de energía, un condensador de película delgada (TFC) multicapa con alta densidad de energía para el almacenamiento energético, y un circuito de gestión de energía (EMC).
Los tres componentes de FOXES Power Cube se integrarán monolíticamente en 3D mediante soluciones de bajo costo y procesos sostenibles, minimizando el uso de productos químicos nocivos, elementos tóxicos o materias primas críticas. El TFC se depositará sobre un sustrato estándar (por ejemplo, vidrio), la electrónica de control sobre el condensador y la célula solar encima de la electrónica. El grafeno se utilizará como electrodos y como capa protectora entre la electrónica de óxido metálico y la célula solar, para mejorar la estabilidad de la PSC y proteger el sistema de capas subyacente contra la interacción química con los precursores utilizados para la preparación de la célula solar.
Los investigadores estiman que este sistema tendrá la capacidad de recolectar una energía promedio de ~260 mJ/día incluso en condiciones de muy poca luz. Suponiendo un voltaje de entrada de 4 V (proporcionado por la célula solar), el condensador podrá almacenar 0,3 mJ por capa. El almacenamiento de energía del capacitor se puede ampliar bombeando la carga del voltaje de entrada a ~34 V (para lo cual se pueden almacenar 40 mJ con la carga completa del capacitor) y/o usando un enfoque complejo de múltiples capas.
Sistemas de generación y almacenamiento de energía
FOXES utilizará un recolector de energía que utilizará una célula solar de perovskita sin plomo, que proporcionará una eficiencia energética de >10% y generará energía de >6 μW/cm² (condiciones de iluminación interior, 400 lux), con un voltaje de salida de 4 V. Para desarrollar la célula solar, se utilizará un sistema de perovskita a base de estaño (Sn), que proporciona una alta eficiencia, como FaSnI 3 con aditivos específicos, como yoduro de guanidinio, SnF 2 y yoduro de etilendiamonio. De esta forma, se eliminaría la necesidad de utilizar plomo, un componente muy contaminante.
En todos los sistemas activos se aplicará un proceso de recristalización dedicado mediante impresión térmica, con el que se pretende obtener cristales de perovskita más grandes, una calidad general mejorada del cristal con menos defectos y una recombinación no radiativa reducida. También se espera que los cristales más grandes proporcionen una estabilidad mejorada. Dependiendo del Voc de las subceldas (~ 1,4-0,5 V), se requiere una conexión en serie de 3-8 celdas para lograr el voltaje de funcionamiento de 4 V que necesita el condensador de película delgada.
Respecto al almacenamiento de energía, se creará un condensador de película delgada multicapa de perovskita sin plomo, con una densidad de energía de 50 J/cm³ y tendrá una carga completa por capacitador de > 0,6 mJ (con un voltaje de entrada de 4 V).
Asimismo, para aumentar la densidad de energía recuperable es necesario romper el orden ferroeléctrico de largo alcance mediante sustitución química, de modo que los dominios polares estén presentes sólo en la nanoescala, produciendo un bucle de histéresis delgado, específicamente en sistemas relajantes (altamente dopados). Las composiciones en el cruce entre ferroeléctrico y relajante ayudan a mantener una permitividad relativa alta (también necesaria para una alta densidad de energía).
FOXES desarrollará una tecnología para producir condensadores multicapa e integrarlos en el Power Cube. El objetivo es realizar un condensador de 2×2 cm² con dos capas que proporcione al menos 0,6 mJ de energía almacenada mediante el voltaje de entrada de ~4 V, proporcionadas por las células de perovskita.
Por último, el circuito de gestión de energía (EMC) se encargará de garantizar el funcionamiento totalmente autónomo, desde el punto de vista energético, del nodo de IoT, mediante un voltaje de carga constante, independientemente de las fluctuaciones del voltaje de la fuente y de la potencia requerida por el paquete IoT.
El EMC inteligente propuesto se conectará al condensador de película delgada y comprenderá un convertidor CC-CC de relación múltiple y un controlador digital inteligente de voltaje ultrabajo. El convertidor de condensadores conmutados (SC) de relación múltiple utilizará una estructura en serie-paralelo compuesta por varios condensadores volantes e interruptores (implementados con transistores simples o con técnicas de arranque). Para un funcionamiento adecuado, el dispositivo de almacenamiento de energía debe soportar muchos ciclos de carga/descarga sin degradarse.
Pruebas del FOXES Power Cube
El proyecto FOXES tiene como objetivo demostrar que Power Cube puede proporcionar, de manera sostenible, una aplicación de IoT completamente funcional que incluya todas las características esperadas: detección, actuación, control, procesamiento y comunicaciones inalámbricas.
Para ello, se ha seleccionado la detección de gases ambientales, cuya aplicación es una de las más desafiantes en términos de presupuestos de energía, debido a que este tipo de sensores funcionan bajo excitación de calor o luz, ya que aplican actuadores que consumen mucha energía (calentadores, fuentes de luz, etc.).
El consorcio desarrollará su propio IoT Bundle, incluirá un elemento sensor de gas y la electrónica de control y comunicación necesaria para realizar las pruebas. En total, el nodo sensor tendrá un consumo de energía inferior a 50 µW por lectura.
El paquete combinado Power Cube–IoT se probará en el laboratorio frente a mezclas de gases durante condiciones de irradiación variables para la célula fotovoltaica. Se probarán varios esquemas de lectura de sensores para pronosticar el rendimiento del Power Cube en aplicaciones exigentes.