Από τους έξυπνους αισθητήρες κτιρίων έως τους ιχνηλάτες περιουσιακών στοιχείων, πολλές συσκευές IoT εσωτερικών χώρων εξακολουθούν να βασίζονται σε μπαταρίες μιας χρήσης για τροφοδοσία λόγω του απλού σχεδιασμού τους. Ωστόσο, αυτή η εξάρτηση φέρνει ορισμένες προκλήσεις, όπως περιορισμένη διάρκεια ζωής, κόστος συντήρησης, λειτουργικές διακοπές και περιβαλλοντικά ζητήματα. Αυτοί οι παράγοντες σε συνδυασμό επηρεάζουν άμεσα την αξιοπιστία των συσκευών IoT.
Επιπλέον, η συχνή αντικατάσταση της μπαταρίας είναι χρονοβόρα και αναποτελεσματική. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με το όραμα ότι το Διαδίκτυο των Πραγμάτων είναι "αυτόνομο και οι συσκευές πάντα online". Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να υιοθετηθούν νέες μέθοδοι για την τροφοδοσία κόμβων IoT σε εσωτερικούς χώρους για τη βελτίωση της αξιοπιστίας, την ελαχιστοποίηση του κόστους συντήρησης και την προώθηση της ανάπτυξης μεγάλης κλίμακας.
Σύμφωνα με έκθεση της Transforma Insights, αναμένεται ότι η ανάπτυξη των συσκευών IoT θα αυξήσει τη ζήτηση ενέργειας κατά 34 τεραβατώρες έως το 2030. Επομένως, το κλειδί για την αντιμετώπιση αυτής της πρόκλησης είναι η χρήση ηλιακών κυψελών εσωτερικών χώρων για συνεχή τροφοδοσία, η μείωση των ηλεκτρονικών αποβλήτων με τη χρήση βιώσιμων υλικών και η αποφυγή της χρήσης μπαταριών και η ελαχιστοποίηση του κόστους κατανάλωσης ενέργειας και μεταφοράς δεδομένων.
Τα τελευταία χρόνια, η φωτοβολταϊκή τεχνολογία προσαρμοσμένη για εσωτερικά περιβάλλοντα έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο σε υλικά και κατασκευές. Το κρυσταλλικό πυρίτιο είναι το τυπικό ενεργό υλικό για ηλιακούς συλλέκτες εξωτερικού χώρου, με διάκενο ζώνης 1,12 eV. Ωστόσο, δεδομένου ότι οι τυπικές πηγές φωτός εσωτερικού χώρου εκπέμπουν φως μόνο στο ορατό εύρος, το βέλτιστο διάκενο ζώνης γίνεται 1,9-2,0 eV.
Επομένως, το κρυσταλλικό πυρίτιο έχει κακή απόδοση υπό συνθήκες φωτισμού εσωτερικού χώρου. Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, η βιομηχανία έχει αναπτύξει εναλλακτικές λύσεις εσωτερικών χώρων χρησιμοποιώντας τεχνολογία συγκομιδής φωτός, όπως άμορφο πυρίτιο, ηλιακά κύτταρα ευαισθητοποιημένα με βαφή (DSSCs), ηλιακά κύτταρα υπεροξειδίου και οργανικά φωτοβολταϊκά κύτταρα.
Εικόνα 1: Το άμορφο ηλιακό στοιχείο AM-1456CA-DGK-E της Panasonic Energy χρησιμοποιεί ένα γυάλινο υπόστρωμα. (Πηγή εικόνας: Panasonic Energy)
Βασικές τεχνολογίες φωτοβολταϊκών εσωτερικών χώρων για το Internet of Things
1. Μπαταρία άμορφου πυριτίου (a-Si).
Το άμορφο πυρίτιο (a-Si) είναι μια ώριμη ηλιακή τεχνολογία λεπτής μεμβράνης με οπτικό διάκενο ζώνης περίπου 1,6 eV, που είναι πιο κοντά στη βέλτιστη τιμή για εφαρμογές φωτισμού εσωτερικού χώρου. Αυτή είναι η πρώτη τεχνολογία που ενσωματώνεται σε συσκευές IoT εσωτερικού χώρου χαμηλής κατανάλωσης.
Λόγω των χαρακτηριστικών φασματικής αντιστοίχισης του άμορφου πυριτίου και της σχετικά υψηλής τάσης ανοιχτού κυκλώματος του σε χαμηλά επίπεδα φωτισμού, το a-Si αποδίδει καλύτερα από το κρυσταλλικό πυρίτιο υπό τυπικές συνθήκες φωτισμού εσωτερικού χώρου. Δοκιμές έδειξαν ότι η απόδοση των υδρογονωμένων ηλιακών κυψελών a-Si κάτω από φωτισμό εσωτερικού χώρου LED μπορεί να φτάσει το 21%.
Το κύριο πλεονέκτημα των ηλιακών κυψελών a-Si είναι η χρήση πηγών αέριου πλάσματος για την κατασκευή λεπτών μεμβρανών, η οποία είναι οικονομικά αποδοτική. Αυτό επιτρέπει την κατασκευή ηλιακών κυψελών σε εύκαμπτα υποστρώματα χαμηλού κόστους.
Ωστόσο, αυτή η τεχνολογία έχει έναν σημαντικό περιορισμό - απαιτεί μεγαλύτερη επιφάνεια μπαταρίας για να παράγει την ίδια ισχύ με τη νέα τεχνολογία. Επιπλέον, η τάση που παράγεται από κάθε μπαταρία a-Si ξεχωριστά είναι σχετικά χαμηλή, επομένως είναι συνήθως απαραίτητο να συνδεθεί κάθε μπαταρία σε σειρά για να επιτευχθεί η τάση που απαιτείται από τις συσκευές IoT.
Εικόνα 2: BCS4430B6 άμορφο λεπτό εύκαμπτο ηλιακό στοιχείο από την TDK Corporation, με τάση ανοιχτού κυκλώματος 4,2 V. (Πηγή εικόνας: TDK Corporation)
2. Ευαισθητοποιημένα με χρωστικές ηλιακές κυψέλες (DSSCs)
Ως φωτοβολταϊκή συσκευή νέας γενιάς, η αρχή λειτουργίας του DSSC είναι παρόμοια με τη φωτοσύνθεση. Η βαφή στο ηλεκτρόδιο εργασίας παράγει ηλεκτρόνια μέσω φωτοευαισθησίας, τα οποία στη συνέχεια αναπληρώνονται από τον ηλεκτρολύτη μέσω αντιδράσεων οξειδοαναγωγής. Αυτή η βαφή μπορεί να βελτιστοποιηθεί με βάση το φάσμα εκπομπών των εσωτερικών πηγών φωτός, καθιστώντας την εξαιρετικά κατάλληλη για εφαρμογές IoT σε εσωτερικούς χώρους.
Μια διαφορετική σχεδιαστική προσέγγιση είναι η χρήση πολυδιάστατων νανοδομών, όπως οι σύνθετες φωτοάνοδοι. Αυτή η δομή συνδυάζει λειτουργίες σκέδασης για να βελτιώσει τις δυνατότητες λήψης φωτός και συλλογής φορτίων. Μια ερευνητική εργασία ισχυρίζεται ότι ένας νέος τύπος νανοδομής έχει επιτύχει απόδοση μετατροπής ισχύος 24% υπό εξαιρετικά αδύναμες συνθήκες τεχνητού φωτισμού 0,014 mW/cm2.
3. Ηλιακά κύτταρα υπεροξειδίου (PSC)
Μια άλλη πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση για εφαρμογές σε εσωτερικούς χώρους είναι το PSC και η έρευνα σε αυτό το υλικό ξεκίνησε το 2015. Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές πέτυχαν τον έλεγχο των καταστάσεων παγίδευσης και της δυναμικής του φορέα στο ενεργό στρώμα περοβσκίτη σχεδιάζοντας ένα στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Το PSC που προέκυψε πέτυχε απόδοση μετατροπής ισχύος 27,4% σε εσωτερικά περιβάλλοντα.
Ο περοβσκίτης είναι ένας τύπος ημιαγωγού υλικού που μπορεί να υποστεί επεξεργασία σε διάλυμα. Αυτό το υλικό μπορεί να ρυθμιστεί σε ιδανική τιμή διάκενου ζώνης 1,8 eV και έχει υψηλά φωτοβολταϊκά χαρακτηριστικά, επιδεικνύοντας έτσι εξαιρετική απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής τόσο σε πηγές φωτός LED όσο και σε συνθήκες φωτισμού φθορισμού. Η απόδοση των εσωτερικών φωτοβολταϊκών συσκευών περοβσκίτης (IPV) έχει φτάσει σε ιστορικό υψηλό. Μια έκθεση έρευνας το 2025 έδειξε ότι η απόδοση μετατροπής ισχύος στα 1000 lux ήταν 42%, το υψηλότερο ρεκόρ ποτέ.
4. Οργανικά φωτοβολταϊκά στοιχεία (OPV)
Η οργανική φωτοβολταϊκή τεχνολογία (OPV) χρησιμοποιεί μόρια με βάση τον άνθρακα ως ημιαγωγούς για την απορρόφηση του φωτός και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μέσω του μοριακού σχεδιασμού, οι οργανικοί ημιαγωγοί μπορούν να προσαρμοστούν ώστε να έχουν ισχυρή ειδικότητα ορατού φάσματος. Το βελτιστοποιημένο OPV εσωτερικού χώρου παρουσιάζει απόδοση μετατροπής ισχύος σχεδόν 30% σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού, συγκρίσιμη με τις καλύτερες κυψέλες DSSC ή υπεροξειδίου.
Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν το OPV ιδιαίτερα κατάλληλο για ακανόνιστου σχήματος διακριτές αναπτύξεις IoT, καθώς μπορεί να εκτυπωθεί σε λεπτές εύκαμπτες μεμβράνες σε υποστρώματα όπως το πλαστικό PET. Ορισμένες εταιρείες παράγουν ακόμη και εύκαμπτα ηλιακά φύλλα εσωτερικού χώρου που μπορούν να λυγίσουν ή να προσαρμοστούν σε διάφορα σχήματα. Για τους σχεδιαστές IoT, αυτό σημαίνει ότι τα ηλιακά κύτταρα μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν σε συσκευές, όπως ως λεπτές μεμβράνες σε επιφάνειες αισθητήρων ή ως αυτοκόλλητα ηλεκτρικά φιλμ.