Von intelligenten Gebäudesensoren bis hin zu Asset-Trackern sind viele Indoor-IoT-Geräte aufgrund ihrer einfachen Konstruktion immer noch auf Einwegbatterien angewiesen.einschließlich begrenzter LebensdauerDiese Faktoren beeinflussen zusammen die Zuverlässigkeit von IoT-Geräten direkt.
Außerdem ist der häufige Austausch von Batterien zeitaufwändig und ineffizient. Dies steht im Widerspruch zur Vision, dass das Internet der Dinge "autonom und Geräte immer online" sein soll.Es ist notwendig, neue Methoden zur Versorgung von IoT-Knoten im Innenraum zu erarbeiten, um die Zuverlässigkeit zu verbessern., die Wartungskosten zu minimieren und einen groß angelegten Einsatz zu fördern.
Laut einem Bericht von Transforma Insights wird erwartet, dass das Wachstum von IoT-Geräten den Energiebedarf bis 2030 um 34 Terawattstunden erhöhen wird.Der Schlüssel zur Bewältigung dieser Herausforderung ist die Nutzung von Solarzellen in Innenräumen zur kontinuierlichen Stromversorgung., elektronische Abfälle zu reduzieren, indem nachhaltige Materialien verwendet und der Einsatz von Batterien vermieden wird, und die Energieverbrauchskosten für die Berechnung und Datenübertragung so weit wie möglich zu minimieren.
In den letzten Jahren hat die Photovoltaiktechnologie, die auf Innenräume zugeschnitten ist, bei Materialien und Strukturen erhebliche Fortschritte gemacht.Kristallines Silizium ist das Standard-Aktivmaterial für AußensolarzellenDa jedoch typische Innenlichtquellen nur Licht im sichtbaren Bereich emittieren, wird die optimale Bandbreite 1,9-2,0 eV.
Daher hat kristallines Silizium eine schlechte Leistungsfähigkeit bei Innenbeleuchtung.einschließlich amorphem Silizium, Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs), Peroxid-Solarzellen und organische Photovoltaikzellen.
Abbildung 1: Die amorphe Solarzelle AM-1456CA-DGK-E von Panasonic Energy verwendet ein Glassubstrat. (Bildquelle: Panasonic Energy)
Schlüsseltechnologien für die Photovoltaik in Innenräumen für das Internet der Dinge
1. Amorphe Silizium (a-Si) Batterie
Amorphes Silizium (a-Si) ist eine ausgereifte Dünnschicht-Solartechnologie mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,6 eV, die dem optimalen Wert für Innenbeleuchtungsanwendungen näher kommt.Dies ist die erste Technologie, die in leistungsarme Indoor-IoT-Geräte integriert wird.
Aufgrund der spektralen Übereinstimmungsmerkmale von amorphem Silizium und seiner relativ hohen Spannung des offenen Stromkreises bei niedrigem Lichta-Si wirkt unter typischen Lichtverhältnissen im Innenbereich besser als kristallines SiliziumTests haben gezeigt, dass die Effizienz von hydrierten a-Si-Solarzellen unter LED-Innenbeleuchtung 21% erreichen kann.
Der Hauptvorteil von a-Si-Solarzellen ist die Verwendung gasförmiger Plasmaquellen zur Herstellung dünner Folien, was kostengünstig ist.Dies ermöglicht die Herstellung von Solarzellen auf kostengünstigen flexiblen Substraten.
Diese Technologie hat jedoch eine große Einschränkung - sie erfordert eine größere Batteriefläche, um die gleiche Leistung wie die neue Technologie zu erzeugen.die Spannung, die von jeder einzelnen a-Si-Batterie erzeugt wird, ist relativ gering, so dass es normalerweise notwendig ist, jede Batterie in Serie zu verbinden, um die von IoT-Geräten erforderliche Spannung zu erreichen.
Abbildung 2: Amorphe dünne flexible Solarzelle BCS4430B6 von TDK Corporation mit einer offenen Stromspannung von 4,2 V (Bildquelle: TDK Corporation)
2. Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSC)
Als Photovoltaikgerät der neuen Generation ist das Arbeitsprinzip von DSSC ähnlich wie bei der Photosynthese.die dann durch Redoxreaktionen durch den Elektrolyt wieder aufgefüllt werdenDieser Farbstoff kann auf der Grundlage des Emissionsspektrums von Innenlichtquellen optimiert werden und eignet sich daher hervorragend für IoT-Anwendungen im Innenraum.
Ein anderer Entwurfsansatz besteht darin, multidimensionale Nanostrukturen wie zusammengesetzte Photoanoden zu verwenden.Diese Struktur kombiniert Streuungsfunktionen, um die Fähigkeit zur Aufnahme von Licht und Aufnahme von Ladungen zu verbessernIn einem Forschungspapier wird behauptet, daß eine neue Art von Nanostruktur unter extrem schwachen künstlichen Lichtverhältnissen von 0,014 mW/cm2 eine Leistungsumwandlungseffizienz von 24% erreicht hat.
3. Peroxid-Solarzellen (PSC)
Eine weitere vielversprechende Alternative für Innenanwendungen ist PSC, und die Forschung zu diesem Material begann 2015.Die Forscher haben die Kontrolle über Fallenzustände und Trägerdynamik in der aktiven Perovskit-Schicht durch die Konstruktion einer Elektronentransportschicht erreicht.Die daraus resultierende PSC erzielte eine Leistungsumwandlungseffizienz von 27,4% in Innenräumen.
Perovskit ist eine Art Halbleitermaterial, das in Lösung verarbeitet werden kann.damit eine ausgezeichnete photoelektrische Umwandlungseffizienz sowohl bei LED-Lichtquellen als auch bei LeuchtstoffbeleuchtungDie Effizienz von Perovskit-Innen-Photovoltaik-Geräten (IPV) hat ein historisches Hoch erreicht.Der höchste Rekord je.
4. Organische Photovoltaikzellen (OPV)
Die organische Photovoltaiktechnologie (OPV) nutzt Kohlenstoffmoleküle als Halbleiter, um Licht zu absorbieren und Strom zu erzeugen.Organische Halbleiter können so angepasst werden, dass sie eine starke Spezifität des sichtbaren Spektrums aufweisenDas optimierte OPV für den Innenbereich weist unter schwachen Lichtverhältnissen eine Leistungsumwandlungseffizienz von fast 30% auf, die mit den besten DSSC- oder Peroxidzellen vergleichbar ist.
Diese Eigenschaften machen OPV besonders geeignet für unregelmäßig geformte diskrete IoT-Einführungen, da es in dünne, flexible Folien auf Substraten wie PET-Kunststoff gedruckt werden kann.Einige Firmen produzieren sogar flexible Solarfolien für Innenräume, die sich in verschiedene Formen biegen oder anpassen können.Für IoT-Designer bedeutet dies, dass Solarzellen leicht in Geräte integriert werden können, z. B. als dünne Filme auf Sensoroberflächen oder Aufkleber-Style-Power-Filme.