Desde sensores de edificios inteligentes hasta rastreadores de activos, muchos dispositivos de IoT en interiores todavía dependen de baterías desechables para obtener energía debido a su diseño simple.incluida la vida útil limitadaLos costes de mantenimiento, el tiempo de inactividad operativa y los problemas ambientales afectan directamente a la fiabilidad de los dispositivos IoT.
Además, el cambio frecuente de la batería consume tiempo e ineficacia, lo que va en contra de la visión de que el Internet de las Cosas sea "autónomo y los dispositivos siempre en línea".Es necesario adoptar nuevos métodos para alimentar los nodos de IoT en interiores para mejorar la confiabilidad, minimizar los costes de mantenimiento y promover la implantación a gran escala.
Según un informe de Transforma Insights, se espera que el crecimiento de los dispositivos IoT aumente la demanda de energía en 34 teravatios hora para 2030.La clave para abordar este desafío es utilizar células solares en interiores para el suministro continuo de energía, reducir los residuos electrónicos mediante el uso de materiales sostenibles y evitar el uso de baterías, y minimizar al máximo los costes de consumo de energía para la computación y la transmisión de datos.
En los últimos años, la tecnología fotovoltaica adaptada a los ambientes interiores ha progresado significativamente en materia de materiales y estructuras.El silicio cristalino es el material activo estándar para paneles solares exterioresSin embargo, dado que las fuentes de luz interiores típicas solo emiten luz en el rango visible, el intervalo óptimo se convierte en 1,9-2,0 eV.
Por lo tanto, el silicio cristalino tiene un bajo rendimiento en condiciones de iluminación en interiores.incluido el silicio amorfoLas células fotovoltaicas orgánicas, las células solares sensibles a los tintes, las células solares de peróxido y las células fotovoltaicas orgánicas.
Figura 1: La célula solar amorfa AM-1456CA-DGK-E de Panasonic Energy utiliza un sustrato de vidrio.
Tecnologías fotovoltaicas interiores clave para el Internet de las cosas
1Batería de silicio amorfo (a-Si)
El silicio amorfo (a-Si) es una tecnología solar de película delgada madura con una banda óptica de aproximadamente 1,6 eV, que está más cerca del valor óptimo para aplicaciones de iluminación interior.Esta es la primera tecnología que se incorpora en dispositivos IoT de bajo consumo en interiores.
Debido a las características de coincidencia espectral del silicio amorfo y su voltaje de circuito abierto relativamente alto a bajos niveles de luz,a-Si funciona mejor que el silicio cristalino en condiciones de iluminación interior típicasLas pruebas han demostrado que la eficiencia de las células solares hidrogenadas de a-Si bajo iluminación interior LED puede alcanzar el 21%.
La principal ventaja de las células solares a-Si es el uso de fuentes de plasma gaseoso para fabricar películas delgadas, lo cual es rentable.Esto permite la fabricación de células solares en sustratos flexibles de bajo coste.
Sin embargo, esta tecnología tiene una gran limitación: requiere una mayor superficie de batería para generar la misma energía que la nueva tecnología.el voltaje generado por cada batería de a-Si es relativamente bajo, por lo que generalmente es necesario conectar cada batería en serie para lograr el voltaje requerido por los dispositivos IoT.
Figura 2: célula solar flexible fina amorfa BCS4430B6 de TDK Corporation, con un voltaje de circuito abierto de 4,2 V. (Fuente de imagen: TDK Corporation)
2. Células solares sensibles a los tintes (DSSC)
Como dispositivo fotovoltaico de nueva generación, el principio de funcionamiento de DSSC es similar al de la fotosíntesis.que luego son repuesto por el electrolito a través de reacciones redoxEste tinte se puede optimizar en función del espectro de emisión de las fuentes de luz interiores, por lo que es muy adecuado para aplicaciones de IoT interiores.
Un enfoque de diseño diferente es usar nanoestructuras multidimensionales, como fotoanodos compuestos.Esta estructura combina funciones de dispersión para mejorar las capacidades de captura de luz y recolección de cargaUn artículo de investigación afirma que un nuevo tipo de nanoestructura ha logrado una eficiencia de conversión de energía del 24% en condiciones de iluminación artificial extremadamente débil de 0,014 mW/cm2.
3. células solares de peróxido (PSC)
Otra alternativa prometedora para aplicaciones en interiores es el PSC, y la investigación sobre este material comenzó en 2015.Los investigadores lograron controlar los estados de trampa y la dinámica del portador en la capa activa de perovskita diseñando una capa de transporte de electronesEl PSC resultante logró una eficiencia de conversión de energía del 27,4% en ambientes interiores.
La perovskita es un tipo de material semiconductor que puede procesarse en solución.que muestra una excelente eficiencia de conversión fotoeléctrica tanto en fuentes de luz LED como en condiciones de iluminación fluorescenteLa eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos de interior de perovskita (IPV) ha alcanzado un máximo histórico.el récord más alto de todos los tiempos.
4. Células fotovoltaicas orgánicas (OPV)
La tecnología fotovoltaica orgánica (OPV) utiliza moléculas basadas en carbono como semiconductores para absorber luz y generar electricidad.Los semiconductores orgánicos pueden ser personalizados para tener una alta especificidad del espectro visibleEl OPV interior optimizado presenta una eficiencia de conversión de energía de casi el 30% en condiciones de poca luz, comparable a las mejores células DSSC o de peróxido.
Estas características hacen que el OPV sea particularmente adecuado para implementaciones discretas de IoT de forma irregular, ya que puede imprimirse en películas flexibles finas en sustratos como el plástico PET.Algunas compañías incluso producen láminas solares flexibles para interiores que pueden doblarse o adaptarse a diversas formasPara los diseñadores de IoT, esto significa que las células solares se pueden integrar fácilmente en dispositivos, como películas delgadas en superficies de sensores o películas de potencia de estilo pegatina.