Dai sensori intelligenti degli edifici ai tracciatori di asset, molti dispositivi IoT interni si basano ancora su batterie usa e getta per l'alimentazione a causa della loro semplice progettazione.compresa la durata di vita limitata, costi di manutenzione, tempi di fermo operativo e problemi ambientali.
Inoltre, la sostituzione frequente delle batterie richiede molto tempo e è inefficiente, contrariamente alla visione dell'Internet delle cose come "autonomo e i dispositivi sempre online".è necessario adottare nuovi metodi per alimentare i nodi IoT interni per migliorare l'affidabilità, ridurre al minimo i costi di manutenzione e promuovere la diffusione su larga scala.
Secondo un rapporto di Transforma Insights, si prevede che la crescita dei dispositivi IoT aumenterà la domanda di energia di 34 terawattora entro il 2030.La chiave per affrontare questa sfida è utilizzare celle solari per l'alimentazione continua, ridurre i rifiuti elettronici utilizzando materiali sostenibili ed evitando l'uso di batterie, e ridurre al minimo i costi di consumo di energia per il calcolo e la trasmissione dei dati.
Negli ultimi anni, la tecnologia fotovoltaica su misura per ambienti interni ha fatto progressi significativi nei materiali e nelle strutture.Il silicio cristallino è il materiale attivo standard per i pannelli solari esterniTuttavia, poiché le tipiche fonti luminose interne emettono solo luce nella gamma visibile, il bandgap ottimale diventa 1,9-2,0 eV.
Per far fronte a questo problema, l'industria ha sviluppato alternative per interni utilizzando la tecnologia di raccolta della luce.compresi i silicio amorfo, celle solari sensibilizzate ai coloranti (DSSC), celle solari al perossido e celle fotovoltaiche organiche.
Figura 1: La cella solare amorfa AM-1456CA-DGK-E di Panasonic Energy utilizza un substrato di vetro.
Tecnologie fotovoltaiche interne chiave per l'Internet delle cose
1Batteria di silicio amorfo (a-Si)
Il silicio amorfo (a-Si) è una tecnologia solare a film sottile matura con un intervallo di banda ottica di circa 1,6 eV, che è più vicino al valore ottimale per le applicazioni di illuminazione interna.Questa è la prima tecnologia ad essere incorporata in dispositivi IoT interni a bassa potenza.
A causa delle caratteristiche di abbinamento spettrale del silicio amorfo e della sua relativamente alta tensione del circuito aperto a bassi livelli di luce,a-Si ha prestazioni migliori rispetto al silicio cristallino in condizioni di illuminazione tipiche all'internoI test hanno dimostrato che l'efficienza delle celle solari a-Si idrogenate sotto illuminazione interna LED può raggiungere il 21%.
Il principale vantaggio delle celle solari a-Si è l'utilizzo di fonti di plasma gassoso per la produzione di pellicole sottili, il che è conveniente.Ciò consente la produzione di celle solari su substrati flessibili a basso costo.
Tuttavia, questa tecnologia presenta un grave limite: per generare la stessa potenza della nuova tecnologia è necessaria un'area della batteria più ampia.la tensione generata da ciascuna batteria a-Si è relativamente bassa, quindi di solito è necessario collegare ogni batteria in serie per raggiungere la tensione richiesta dai dispositivi IoT.
Figura 2: Cella solare amorfa sottile flessibile BCS4430B6 di TDK Corporation, con una tensione di circuito aperto di 4,2 V. (Fonte immagine: TDK Corporation)
2. Cellule solari sensibilizzate ai coloranti (DSSC)
Come dispositivo fotovoltaico di nuova generazione, il principio di funzionamento del DSSC è simile alla fotosintesi.che vengono quindi ricostituiti dall'elettrolita attraverso reazioni redoxQuesto colorante può essere ottimizzato in base allo spettro di emissione delle fonti luminose interne, rendendolo altamente adatto alle applicazioni IoT interne.
Un altro approccio di progettazione consiste nell'utilizzare nanostrutture multidimensionali, come fotoanodi compositi.Questa struttura combina funzioni di diffusione per migliorare le capacità di cattura della luce e di raccolta delle caricheUn documento di ricerca afferma che un nuovo tipo di nanostruttura ha raggiunto un'efficienza di conversione di potenza del 24% in condizioni di luce artificiale estremamente debole di 0,014 mW/cm2.
3. celle solari al perossido (PSC)
Un'altra alternativa promettente per applicazioni interne è il PSC, e la ricerca su questo materiale è iniziata nel 2015.I ricercatori hanno ottenuto il controllo degli stati di trappola e della dinamica del vettore nello strato attivo della perovskite progettando uno strato di trasporto degli elettroniIl PSC risultante ha raggiunto un'efficienza di conversione di potenza del 27,4% in ambienti interni.
La perovskite è un tipo di materiale semiconduttore che può essere lavorato in soluzione.mostrando così un'eccellente efficienza di conversione fotoelettrica sia sotto fonti di luce LED che in condizioni di illuminazione fluorescenteUn rapporto di ricerca del 2025 ha dimostrato che l'efficienza di conversione dell'energia a 1000 lux era del 42%, mentre il consumo di perovskite è di circa il 50%.il record più alto di sempre..
4. Cellule fotovoltaiche organiche (OPV)
La tecnologia fotovoltaica organica (OPV) utilizza molecole a base di carbonio come semiconduttori per assorbire la luce e generare elettricità.i semiconduttori organici possono essere personalizzati per avere una forte specificità dello spettro visibileL'OPV interno ottimizzato presenta un'efficienza di conversione di potenza di quasi il 30% in condizioni di scarsa illuminazione, paragonabile alle migliori celle DSSC o perossido.
Queste caratteristiche rendono l'OPV particolarmente adatto per le implementazioni IoT discrete a forma irregolare, in quanto può essere stampato in film sottili e flessibili su substrati come la plastica PET.Alcune aziende producono persino fogli solari per interni flessibili che possono piegarsi o adattarsi a varie formePer i progettisti dell'IoT, ciò significa che le celle solari possono essere facilmente integrate in dispositivi, ad esempio come film sottili sulle superfici dei sensori o film di alimentazione in stile adesivo.