Od inteligentnych czujników budynków po urządzenia do śledzenia zasobów – wiele wewnętrznych urządzeń IoT ze względu na ich prostą konstrukcję nadal opiera się na jednorazowych bateriach. Jednak ta zależność niesie ze sobą pewne wyzwania, w tym ograniczoną żywotność, koszty konserwacji, przestoje operacyjne i kwestie środowiskowe. Czynniki te łącznie bezpośrednio wpływają na niezawodność urządzeń IoT.
Ponadto częsta wymiana baterii jest zarówno czasochłonna, jak i nieefektywna. Jest to sprzeczne z wizją Internetu rzeczy jako „autonomicznego, a urządzenia zawsze online”. Dlatego konieczne jest przyjęcie nowych metod zasilania wewnętrznych węzłów IoT, aby poprawić niezawodność, zminimalizować koszty konserwacji i promować wdrożenia na dużą skalę.
Według raportu Transforma Insights oczekuje się, że rozwój urządzeń IoT zwiększy zapotrzebowanie na energię o 34 terawatogodziny do 2030 r. Dlatego kluczem do sprostania temu wyzwaniu jest wykorzystanie wewnętrznych ogniw słonecznych do ciągłego zasilania, ograniczenie ilości odpadów elektronicznych poprzez stosowanie zrównoważonych materiałów i unikanie stosowania baterii oraz maksymalne minimalizowanie kosztów zużycia energii do przetwarzania i przesyłania danych.
W ostatnich latach technologia fotowoltaiczna dostosowana do środowisk wewnętrznych poczyniła znaczne postępy w zakresie materiałów i konstrukcji. Krzem krystaliczny jest standardowym materiałem aktywnym do zewnętrznych paneli słonecznych, z pasmem wzbronionym wynoszącym 1,12 eV. Ponieważ jednak typowe wewnętrzne źródła światła emitują światło tylko w zakresie widzialnym, optymalny pasmo wzbronione wynosi 1,9–2,0 eV.
Dlatego krzem krystaliczny ma słabą wydajność w warunkach oświetlenia wewnętrznego. Aby rozwiązać ten problem, w branży opracowano alternatywy do stosowania w pomieszczeniach zamkniętych, wykorzystujące technologię zbierania światła, w tym krzem amorficzny, ogniwa słoneczne uczulane barwnikiem (DSSC), nadtlenkowe ogniwa słoneczne i organiczne ogniwa fotowoltaiczne.
Rysunek 1: Amorficzne ogniwo słoneczne AM-1456CA-DGK-E firmy Panasonic Energy wykorzystuje podłoże szklane. (Źródło obrazu: Panasonic Energy)
Kluczowe technologie fotowoltaiczne wewnętrzne dla Internetu Rzeczy
1. Bateria z amorficznego krzemu (a-Si).
Krzem amorficzny (a-Si) to dojrzała cienkowarstwowa technologia słoneczna z optycznym pasmem wzbronionym wynoszącym około 1,6 eV, co jest wartością bliższą optymalnej wartości do zastosowań w oświetleniu wnętrz. Jest to pierwsza technologia zastosowana w wewnętrznych urządzeniach IoT o niskim poborze mocy.
Ze względu na charakterystykę dopasowania widmowego amorficznego krzemu i jego stosunkowo wysokie napięcie w obwodzie otwartym przy niskim poziomie oświetlenia, a-Si działa lepiej niż krzem krystaliczny w typowych warunkach oświetlenia wewnętrznego. Testy wykazały, że wydajność uwodornionych ogniw słonecznych a-Si przy oświetleniu wewnętrznym LED może sięgać 21%.
Główną zaletą ogniw słonecznych a-Si jest wykorzystanie źródeł plazmy gazowej do wytwarzania cienkich warstw, co jest opłacalne. Umożliwia to produkcję ogniw słonecznych na tanich, elastycznych podłożach.
Technologia ta ma jednak poważne ograniczenie – wymaga większej powierzchni baterii, aby wygenerować taką samą moc, jak nowa technologia. Ponadto napięcie generowane przez każdy akumulator a-Si z osobna jest stosunkowo niskie, dlatego zwykle konieczne jest połączenie każdego akumulatora szeregowo, aby uzyskać napięcie wymagane przez urządzenia IoT.
Rysunek 2: Amorficzne, cienkie, elastyczne ogniwo słoneczne BCS4430B6 firmy TDK Corporation, o napięciu obwodu otwartego 4,2 V. (Źródło zdjęcia: TDK Corporation)
2. Barwnione ogniwa słoneczne (DSSC)
Jako urządzenie fotowoltaiczne nowej generacji, zasada działania DSSC jest podobna do fotosyntezy. Barwnik na elektrodzie roboczej generuje elektrony poprzez światłoczułość, które są następnie uzupełniane przez elektrolit w reakcjach redoks. Barwnik ten można zoptymalizować w oparciu o widmo emisji wewnętrznych źródeł światła, dzięki czemu doskonale nadaje się do zastosowań w pomieszczeniach IoT.
Innym podejściem do projektowania jest wykorzystanie wielowymiarowych nanostruktur, takich jak kompozytowe fotoanody. Struktura ta łączy funkcje rozpraszania w celu zwiększenia możliwości wychwytywania światła i gromadzenia ładunku. W artykule badawczym stwierdzono, że nowy typ nanostruktury osiągnął efektywność konwersji mocy na poziomie 24% w ekstremalnie słabych warunkach sztucznego oświetlenia o natężeniu 0,014 mW/cm2.
3. Nadtlenkowe ogniwa słoneczne (PSC)
Inną obiecującą alternatywą do zastosowań wewnętrznych jest PSC, a badania nad tym materiałem rozpoczęły się w 2015 r. W ramach tego badania badacze uzyskali kontrolę nad stanami pułapek i dynamiką nośnika w aktywnej warstwie perowskitu, projektując warstwę transportującą elektrony. Powstały PSC osiągnął sprawność konwersji mocy na poziomie 27,4% w środowiskach wewnętrznych.
Perowskit to rodzaj materiału półprzewodnikowego, który można przetwarzać w roztworze. Materiał ten można dostosować do idealnej wartości pasma wzbronionego wynoszącej 1,8 eV i ma on wysokie właściwości fotowoltaiczne, dzięki czemu wykazuje doskonałą wydajność konwersji fotoelektrycznej zarówno w przypadku źródeł światła LED, jak i w warunkach oświetlenia fluorescencyjnego. Wydajność perowskitowych wewnętrznych urządzeń fotowoltaicznych (IPV) osiągnęła historycznie wysoki poziom. Raport z badania przeprowadzonego w 2025 r. wykazał, że sprawność konwersji mocy przy 1000 luksów wyniosła 42%, co stanowi najwyższy rekord w historii.
4. Organiczne ogniwa fotowoltaiczne (OPV)
Organiczna technologia fotowoltaiczna (OPV) wykorzystuje cząsteczki węgla jako półprzewodniki do pochłaniania światła i wytwarzania energii elektrycznej. Dzięki projektowaniu molekularnemu półprzewodniki organiczne można dostosować tak, aby miały silną specyficzność widma widzialnego. Zoptymalizowany OPV do stosowania w pomieszczeniach zamkniętych wykazuje wydajność konwersji mocy na poziomie prawie 30% w warunkach słabego oświetlenia, porównywalną z najlepszymi ogniwami DSSC lub nadtlenkowymi.
Te cechy sprawiają, że OPV szczególnie nadaje się do dyskretnych wdrożeń IoT o nieregularnych kształtach, ponieważ można go drukować w cienkich, elastycznych foliach na podłożach takich jak plastik PET. Niektóre firmy produkują nawet elastyczne folie fotowoltaiczne do wnętrz, które można zginać lub dopasowywać do różnych kształtów. Dla projektantów IoT oznacza to, że ogniwa słoneczne można łatwo zintegrować z urządzeniami, takimi jak cienkie folie na powierzchni czujników lub folie zasilające przypominające naklejki.