Des capteurs de bâtiments intelligents aux détecteurs d'actifs, de nombreux appareils IoT intérieurs dépendent encore de batteries jetables pour l'alimentation en raison de leur conception simple.y compris la durée de vie limitéeCes facteurs combinés ont une incidence directe sur la fiabilité des appareils IoT.
En outre, le remplacement fréquent des batteries est à la fois long et inefficace.Il est nécessaire d'adopter de nouvelles méthodes pour alimenter les nœuds IoT intérieurs afin d'améliorer la fiabilité., réduire les coûts de maintenance et promouvoir un déploiement à grande échelle.
Selon un rapport de Transforma Insights, il est prévu que la croissance des appareils IoT augmentera la demande d'énergie de 34 térawattheures d'ici 2030.La clé pour relever ce défi est d'utiliser des cellules solaires intérieures pour une alimentation électrique continue, réduire les déchets électroniques en utilisant des matériaux durables et en évitant l'utilisation de piles, et minimiser autant que possible les coûts de consommation d'énergie pour le calcul et la transmission de données.
Ces dernières années, la technologie photovoltaïque adaptée aux environnements intérieurs a fait des progrès significatifs en matière de matériaux et de structures.Le silicium cristallin est le matériau actif standard pour les panneaux solaires extérieursCependant, comme les sources lumineuses intérieures typiques n'émettent que de la lumière dans la plage visible, la plage optimale devient de 1,9-2,0 eV.
Pour remédier à ce problème, l'industrie a mis au point des alternatives intérieures utilisant la technologie de capture de lumière.y compris le silicium amorphe, les cellules solaires sensibilisées aux colorants (DSSC), les cellules solaires au peroxyde et les cellules photovoltaïques organiques.
Figure 1: La cellule solaire amorphe AM-1456CA-DGK-E de Panasonic Energy utilise un substrat en verre.
Les technologies photovoltaïques intérieures clés pour l'Internet des objets
1Piles au silicium (a-Si) amorphe
Le silicium amorphe (a-Si) est une technologie solaire à film mince mature avec une bande passante optique d'environ 1,6 eV, ce qui est plus proche de la valeur optimale pour les applications d'éclairage intérieur.C'est la première technologie à être incorporée dans des appareils IoT intérieurs à faible consommation d'énergie..
En raison des caractéristiques de correspondance spectrale du silicium amorphe et de sa tension de circuit ouvert relativement élevée à faible luminosité,a-Si fonctionne mieux que le silicium cristallin dans des conditions d'éclairage intérieur typiquesDes essais ont montré que l'efficacité des cellules solaires hydrogénées a-Si sous éclairage intérieur LED peut atteindre 21%.
Le principal avantage des cellules solaires a-Si est l'utilisation de sources de plasma gazeux pour la fabrication de films minces, ce qui est rentable.Cela permet de fabriquer des cellules solaires sur des substrats flexibles à faible coût.
Cependant, cette technologie présente une limitation majeure: elle nécessite une plus grande surface de batterie pour générer la même puissance que la nouvelle technologie.la tension générée par chaque batterie a-Si individuellement est relativement faible, il est donc généralement nécessaire de connecter chaque batterie en série pour atteindre la tension requise par les appareils IoT.
Figure 2: Cellule solaire flexible mince amorphe BCS4430B6 de TDK Corporation, avec une tension de circuit ouvert de 4,2 V. (Source d'image: TDK Corporation)
2. Cellules solaires sensibilisées aux colorants (DSSC)
En tant qu'appareil photovoltaïque de nouvelle génération, le principe de fonctionnement du DSSC est similaire à celui de la photosynthèse.qui sont ensuite reconstitués par l'électrolyte par des réactions redoxCe colorant peut être optimisé en fonction du spectre d'émission des sources lumineuses intérieures, ce qui le rend très adapté aux applications IoT intérieures.
Une approche de conception différente consiste à utiliser des nanostructures multidimensionnelles, telles que des photoanodes composites.Cette structure combine des fonctions de diffusion pour améliorer les capacités de capture de lumière et de collecte de chargeUn article de recherche affirme qu'un nouveau type de nanostructure a atteint un rendement de conversion de puissance de 24% dans des conditions d'éclairage artificiel extrêmement faibles de 0,014 mW/cm2.
3Piles solaires à peroxyde (PSC)
Une autre alternative prometteuse pour les applications intérieures est le PSC, et la recherche sur ce matériau a commencé en 2015.Les chercheurs ont réussi à contrôler les états de piège et la dynamique du support dans la couche active de pérovskite en concevant une couche de transport d'électronsLe PSC obtenu a atteint un rendement de conversion de puissance de 27,4% dans les environnements intérieurs.
La pérovskite est un type de matériau semi-conducteur qui peut être traité en solution.présentant ainsi une excellente efficacité de conversion photoélectrique dans des conditions d'éclairage à LED et à fluorescenceL'efficacité des appareils photovoltaïques intérieurs en pérovskite (IPV) a atteint un sommet historique.le record le plus élevé jamais..
4. Cellules photovoltaïques organiques (OPV)
La technologie photovoltaïque organique utilise des molécules à base de carbone comme semi-conducteurs pour absorber la lumière et générer de l'électricité.Les semi-conducteurs organiques peuvent être personnalisés pour avoir une forte spécificité du spectre visibleL'OPV intérieur optimisé présente un rendement de conversion de puissance de près de 30% dans des conditions de faible luminosité, comparable aux meilleures cellules DSSC ou peroxyde.
Ces caractéristiques rendent l'OPV particulièrement adapté aux déploiements discrets d'IoT de forme irrégulière, car il peut être imprimé en films souples minces sur des substrats tels que le plastique PET.Certaines sociétés produisent même des feuilles solaires flexibles qui peuvent se plier ou s'adapter à différentes formes.Pour les concepteurs de l'IoT, cela signifie que les cellules solaires peuvent être facilement intégrées dans des appareils, par exemple sous forme de films minces sur les surfaces des capteurs ou de films d'alimentation de style autocollant.