От датчиков интеллектуальных зданий до систем отслеживания активов — многие внутренние устройства IoT по-прежнему используют одноразовые батареи для питания из-за их простой конструкции. Однако эта зависимость создает некоторые проблемы, в том числе ограниченный срок службы, затраты на техническое обслуживание, простои в работе и экологические проблемы. В совокупности эти факторы напрямую влияют на надежность устройств Интернета вещей.
Кроме того, частая замена батарей требует много времени и неэффективна. Это противоречит идее, согласно которой Интернет вещей должен быть «автономным и устройства всегда онлайн». Поэтому необходимо внедрить новые методы питания внутренних узлов Интернета вещей, чтобы повысить надежность, минимизировать затраты на обслуживание и способствовать крупномасштабному развертыванию.
Согласно отчету Transforma Insights, ожидается, что рост количества устройств Интернета вещей приведет к увеличению спроса на энергию на 34 тераватт-часа к 2030 году. Таким образом, ключом к решению этой проблемы является использование внутренних солнечных батарей для непрерывного энергоснабжения, сокращение электронных отходов за счет использования экологически чистых материалов и отказа от использования батарей, а также максимально возможной минимизации затрат на потребление энергии для вычислений и передачи данных.
В последние годы фотоэлектрические технологии, адаптированные для использования внутри помещений, достигли значительного прогресса в области материалов и конструкций. Кристаллический кремний является стандартным активным материалом для наружных солнечных панелей с шириной запрещенной зоны 1,12 эВ. Однако, поскольку типичные источники света внутри помещений излучают свет только в видимом диапазоне, оптимальная ширина запрещенной зоны составляет 1,9–2,0 эВ.
Следовательно, кристаллический кремний имеет плохие характеристики в условиях внутреннего освещения. Чтобы решить эту проблему, промышленность разработала альтернативы для использования внутри помещений с использованием технологии сбора света, включая аморфный кремний, сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC), пероксидные солнечные элементы и органические фотоэлектрические элементы.
Рисунок 1. В аморфном солнечном элементе Panasonic Energy AM-1456CA-DGK-E используется стеклянная подложка. (Источник изображения: Panasonic Energy)
Ключевые фотоэлектрические технологии внутри помещений для Интернета вещей
1. Батарея из аморфного кремния (a-Si).
Аморфный кремний (a-Si) представляет собой зрелую тонкопленочную солнечную технологию с оптической шириной запрещенной зоны примерно 1,6 эВ, что ближе к оптимальному значению для внутреннего освещения. Это первая технология, внедренная в маломощные внутренние устройства IoT.
Благодаря характеристикам спектрального согласования аморфного кремния и относительно высокому напряжению холостого хода при низких уровнях освещенности a-Si работает лучше, чем кристаллический кремний, в типичных условиях внутреннего освещения. Испытания показали, что эффективность гидрогенизированных солнечных элементов a-Si при светодиодном освещении помещений может достигать 21%.
Основным преимуществом солнечных элементов a-Si является использование источников газообразной плазмы для изготовления тонких пленок, что экономически выгодно. Это позволяет производить солнечные элементы на недорогих гибких подложках.
Однако у этой технологии есть серьезное ограничение: для выработки той же мощности, что и новая технология, требуется батарея большей площади. Кроме того, напряжение, генерируемое каждой батареей a-Si по отдельности, относительно низкое, поэтому обычно необходимо подключать каждую батарею последовательно, чтобы достичь напряжения, необходимого устройствам IoT.
Рисунок 2. Аморфный тонкий гибкий солнечный элемент BCS4430B6 от корпорации TDK с напряжением холостого хода 4,2 В. (Источник изображения: корпорация TDK)
2. Солнечные элементы, сенсибилизированные красителями (DSSC).
Принцип работы DSSC как фотоэлектрического устройства нового поколения аналогичен фотосинтезу. Краситель на рабочем электроде генерирует электроны за счет фоточувствительности, которые затем пополняются электролитом посредством окислительно-восстановительных реакций. Этот краситель можно оптимизировать на основе спектра излучения источников света внутри помещений, что делает его очень подходящим для приложений IoT внутри помещений.
Другой подход к проектированию заключается в использовании многомерных наноструктур, таких как композитные фотоаноды. Эта структура сочетает в себе функции рассеяния для улучшения возможностей захвата света и сбора заряда. В исследовательской статье утверждается, что новый тип наноструктуры достиг эффективности преобразования энергии 24% в условиях чрезвычайно слабого искусственного освещения 0,014 мВт/см2.
3. Пероксидные солнечные элементы (PSC)
Еще одной многообещающей альтернативой для внутреннего применения является PSC, и исследования этого материала начались в 2015 году. В этом исследовании исследователи достигли контроля над состояниями ловушек и динамикой носителей в активном слое перовскита, создав слой транспорта электронов. Полученный PSC достиг эффективности преобразования энергии 27,4% в помещении.
Перовскит — это тип полупроводникового материала, который можно обрабатывать в растворе. Этот материал может быть доведен до идеального значения запрещенной зоны 1,8 эВ и обладает высокими фотоэлектрическими характеристиками, демонстрируя тем самым превосходную эффективность фотоэлектрического преобразования как в условиях светодиодных источников света, так и в условиях флуоресцентного освещения. Эффективность перовскитовых фотоэлектрических устройств для помещений (IPV) достигла исторического максимума. Отчет об исследовании 2025 года показал, что эффективность преобразования энергии при освещенности 1000 люкс составила 42%, что является самым высоким рекордом за всю историю.
4. Органические фотоэлектрические элементы (ОПВ).
Органическая фотоэлектрическая технология (OPV) использует молекулы на основе углерода в качестве полупроводников для поглощения света и выработки электроэнергии. Благодаря молекулярному дизайну органические полупроводники можно настроить так, чтобы они имели сильную специфичность видимого спектра. Оптимизированный OPV для внутреннего применения демонстрирует эффективность преобразования энергии почти 30% в условиях низкой освещенности, что сравнимо с лучшими элементами DSSC или пероксидными элементами.
Эти характеристики делают OPV особенно подходящим для дискретных развертываний IoT неправильной формы, поскольку его можно печатать в виде тонких гибких пленок на таких подложках, как ПЭТ-пластик. Некоторые компании даже производят гибкую солнечную пленку для помещений, которая может сгибаться или принимать различные формы. Для разработчиков Интернета вещей это означает, что солнечные элементы можно легко интегрировать в устройства, например, в виде тонких пленок на поверхности датчиков или силовых пленок в виде наклеек.