از حسگرهای ساختمان هوشمند گرفته تا ردیابهای دارایی، بسیاری از دستگاههای اینترنت اشیاء داخلی به دلیل طراحی سادهشان همچنان برای تامین انرژی به باتریهای یکبار مصرف متکی هستند. با این حال، این وابستگی چالش هایی از جمله طول عمر محدود، هزینه های تعمیر و نگهداری، خرابی عملیات و مسائل زیست محیطی را به همراه دارد. مجموع این عوامل به طور مستقیم بر قابلیت اطمینان دستگاه های اینترنت اشیا تأثیر می گذارد.
علاوه بر این، تعویض مکرر باتری هم زمان بر و هم ناکارآمد است. این در تضاد با دیدگاه اینترنت اشیاء است که «خودکار و دستگاهها همیشه آنلاین هستند». بنابراین، اتخاذ روشهای جدید برای تأمین انرژی گرههای اینترنت اشیاء داخلی برای بهبود قابلیت اطمینان، به حداقل رساندن هزینههای تعمیر و نگهداری و ترویج استقرار در مقیاس بزرگ ضروری است.
بر اساس گزارش Transforma Insights، انتظار میرود که رشد دستگاههای اینترنت اشیا تا سال 2030 تقاضای انرژی را تا 34 تراوات ساعت افزایش دهد. بنابراین، کلید مقابله با این چالش، استفاده از سلولهای خورشیدی داخلی برای تامین برق مداوم، کاهش ضایعات الکترونیکی با استفاده از مواد پایدار و اجتناب از استفاده از باتریها و به حداقل رساندن هزینههای مصرف انرژی و انتقال دادهها برای رایانه است.
در سالهای اخیر، فناوری فتوولتائیک متناسب با محیطهای داخلی، پیشرفت چشمگیری در مواد و سازهها داشته است. سیلیکون کریستالی ماده فعال استاندارد برای پنل های خورشیدی در فضای باز است، با فاصله باند 1.12 ولت. با این حال، از آنجایی که منابع نور معمولی داخلی فقط نور را در محدوده مرئی ساطع می کنند، فاصله باند بهینه 1.9-2.0 eV می شود.
بنابراین، سیلیکون کریستالی در شرایط نوری داخلی عملکرد ضعیفی دارد. برای رسیدگی به این مشکل، صنعت جایگزینهای داخلی را با استفاده از فناوری برداشت نور، از جمله سیلیکون آمورف، سلولهای خورشیدی حساس به رنگ (DSSCs)، سلولهای خورشیدی پراکسید و سلولهای فتوولتائیک آلی توسعه داده است.
شکل 1: سلول خورشیدی آمورف AM-1456CA-DGK-E پاناسونیک انرژی از یک بستر شیشه ای استفاده می کند. (منبع تصویر: انرژی پاناسونیک)
فن آوری های کلیدی فتوولتائیک داخلی برای اینترنت اشیا
1. باتری سیلیکونی آمورف (a-Si).
سیلیکون آمورف (a-Si) یک فناوری خورشیدی با لایه نازک بالغ با فاصله باند نوری تقریباً 1.6 eV است که به مقدار بهینه برای کاربردهای روشنایی داخلی نزدیکتر است. این اولین فناوری است که در دستگاه های اینترنت اشیاء داخلی کم مصرف گنجانده شده است.
با توجه به ویژگیهای تطبیق طیفی سیلیکون آمورف و ولتاژ مدار باز نسبتاً بالای آن در سطوح نور کم، a-Si در شرایط نور معمولی داخلی بهتر از سیلیکون کریستالی عمل میکند. آزمایشها نشان دادهاند که بازده سلولهای خورشیدی هیدروژنه a-Si تحت نور LED داخلی میتواند به ۲۱ درصد برسد.
مزیت اصلی سلول های خورشیدی a-Si استفاده از منابع پلاسمای گازی برای ساخت لایه های نازک است که مقرون به صرفه است. این امکان ساخت سلول های خورشیدی را بر روی بسترهای انعطاف پذیر کم هزینه فراهم می کند.
با این حال، این فناوری یک محدودیت عمده دارد - برای تولید انرژی مشابه با فناوری جدید، به فضای باتری بیشتری نیاز دارد. علاوه بر این، ولتاژ تولید شده توسط هر باتری a-Si به صورت جداگانه نسبتاً پایین است، بنابراین معمولاً برای دستیابی به ولتاژ مورد نیاز دستگاه های اینترنت اشیاء، لازم است هر باتری را به صورت سری وصل کرد.
شکل 2: سلول خورشیدی انعطاف پذیر نازک آمورف BCS4430B6 از شرکت TDK، با ولتاژ مدار باز 4.2 ولت (منبع تصویر: TDK Corporation)
2. سلول های خورشیدی حساس به رنگ (DSSCs)
به عنوان یک دستگاه فتوولتائیک نسل جدید، اصل کار DSSC مشابه فتوسنتز است. رنگ روی الکترود کار، الکترون هایی را از طریق حساسیت به نور تولید می کند، که سپس توسط الکترولیت از طریق واکنش های اکسیداسیون و کاهش دوباره پر می شود. این رنگ را می توان بر اساس طیف انتشار منابع نور داخلی بهینه کرد و آن را برای کاربردهای اینترنت اشیاء داخلی بسیار مناسب می کند.
یک رویکرد طراحی متفاوت، استفاده از نانوساختارهای چند بعدی، مانند فوتوآندهای مرکب است. این ساختار عملکردهای پراکندگی را برای افزایش قابلیت جذب نور و جمع آوری شارژ ترکیب می کند. یک مقاله تحقیقاتی ادعا می کند که نوع جدیدی از نانوساختار بازده تبدیل توان 24 درصد را تحت شرایط نور مصنوعی بسیار ضعیف 0.014 mW/cm2 به دست آورده است.
3. سلول های خورشیدی پراکسید (PSC)
جایگزین امیدوارکننده دیگر برای کاربردهای داخلی، PSC است و تحقیقات روی این ماده در سال 2015 آغاز شد. در این مطالعه، محققان با طراحی یک لایه انتقال الکترون، به کنترل وضعیت های تله و دینامیک حامل در لایه فعال پروسکایت دست یافتند. PSC حاصل به بازده تبدیل توان 27.4 درصد در محیط های داخلی دست یافت.
پروسکایت نوعی ماده نیمه هادی است که می تواند در محلول پردازش شود. این ماده را می توان به مقدار باند گپ ایده آل 1.8 eV تنظیم کرد و دارای ویژگی های فتوولتائیک بالایی است، بنابراین راندمان تبدیل فوتوالکتریک عالی را در هر دو منبع نور LED و شرایط نور فلورسنت نشان می دهد. راندمان دستگاه های فتوولتائیک داخلی پروسکایت (IPV) به بالاترین حد تاریخی رسیده است. یک گزارش تحقیقاتی در سال 2025 نشان داد که راندمان تبدیل قدرت در 1000 لوکس 42 درصد بود، بالاترین رکورد تا کنون.
4. سلول های فتوولتائیک آلی (OPVs)
فناوری فتوولتائیک آلی (OPV) از مولکول های مبتنی بر کربن به عنوان نیمه هادی برای جذب نور و تولید الکتریسیته استفاده می کند. از طریق طراحی مولکولی، نیمه هادی های آلی را می توان سفارشی کرد تا ویژگی طیف مرئی قوی داشته باشند. OPV داخلی بهینه شده بازده تبدیل توانی نزدیک به 30% را در شرایط نور کم نشان می دهد که با بهترین سلول های DSSC یا پراکسید قابل مقایسه است.
این ویژگی ها OPV را به ویژه برای استقرار گسسته IoT با شکل نامنظم مناسب می کند، زیرا می توان آن را به صورت فیلم های انعطاف پذیر نازک بر روی بسترهایی مانند پلاستیک PET چاپ کرد. برخی از شرکت ها حتی فویل های خورشیدی منعطف داخلی را تولید می کنند که می توانند خم شوند یا با اشکال مختلف سازگار شوند. برای طراحان اینترنت اشیا، این بدان معناست که سلولهای خورشیدی را میتوان به راحتی در دستگاههایی مانند لایههای نازک روی سطوح حسگر یا فیلمهای قدرتی سبک برچسب ادغام کرد.