De sensores inteligentes de edifícios a rastreadores de ativos, muitos dispositivos IoT interiores ainda dependem de baterias descartáveis para energia devido ao seu design simples.Incluindo a duração limitada, custos de manutenção, tempo de inatividade operacional e questões ambientais.
Além disso, a substituição frequente das baterias é demorada e ineficiente, o que contradiz a visão de que a Internet das Coisas seja "autônoma e os dispositivos sempre online".É necessário adotar novos métodos para alimentar os nós IoT interiores para melhorar a confiabilidade, minimizar os custos de manutenção e promover a implantação em larga escala.
De acordo com um relatório da Transforma Insights, espera-se que o crescimento dos dispositivos IoT aumente a demanda de energia em 34 terawatts-hora até 2030.A chave para enfrentar este desafio é utilizar células solares interiores para fornecimento contínuo de energia, reduzir os resíduos electrónicos através da utilização de materiais sustentáveis e evitar a utilização de baterias, e minimizar o máximo possível os custos de consumo de energia para a computação e transmissão de dados.
Nos últimos anos, a tecnologia fotovoltaica adaptada aos ambientes interiores fez progressos significativos em matéria de materiais e estruturas.O silício cristalino é o material ativo padrão para painéis solares externosNo entanto, uma vez que as fontes de luz interiores típicas emitem luz apenas na faixa visível, a faixa de banda ideal é de 1,9-2,0 eV.
Por conseguinte, o silício cristalino tem um desempenho fraco em condições de iluminação interna.incluindo o silício amorfo, células solares sensibilizadas a corantes (DSSCs), células solares de peróxido e células fotovoltaicas orgânicas.
Figura 1: A célula solar amorfa AM-1456CA-DGK-E da Panasonic Energy usa um substrato de vidro. (Fonte da imagem: Panasonic Energy)
Tecnologias fotovoltaicas interiores essenciais para a Internet das Coisas
1Bateria de silício amorfo (a-Si)
O silício amorfo (a-Si) é uma tecnologia solar de filme fino madura com uma faixa de banda óptica de aproximadamente 1,6 eV, que está mais próxima do valor ideal para aplicações de iluminação interior.Esta é a primeira tecnologia a ser incorporada em dispositivos de IoT de baixo consumo em interiores.
Devido às características de correspondência espectral do silício amorfo e à sua voltagem de circuito aberto relativamente elevada a baixos níveis de luz,a-Si funciona melhor do que o silício cristalino em condições de iluminação interior típicasOs testes mostraram que a eficiência das células solares hidrogenadas a-Si sob iluminação LED pode atingir 21%.
A principal vantagem das células solares a-Si é a utilização de fontes de plasma gasoso para a fabricação de películas finas, o que é rentável.Isto permite a fabricação de células solares em substratos flexíveis de baixo custo.
No entanto, esta tecnologia tem uma grande limitação - requer uma área de bateria maior para gerar a mesma energia que a nova tecnologia.a tensão gerada por cada bateria a-Si individualmente é relativamente baixa, por isso é geralmente necessário conectar cada bateria em série para alcançar a tensão exigida pelos dispositivos IoT.
Figura 2: Célula solar flexível fina amorfa BCS4430B6 da TDK Corporation, com uma tensão de circuito aberto de 4,2 V. (Fonte da imagem: TDK Corporation)
2Células solares sensibilizadas a corantes (DSSC)
Como um dispositivo fotovoltaico de nova geração, o princípio de funcionamento do DSSC é semelhante à fotossíntese.que são então reabastecidos pelo eletrólito através de reacções redoxEste corante pode ser otimizado com base no espectro de emissão de fontes de luz interiores, tornando-o altamente adequado para aplicações de IoT interiores.
Uma abordagem de projeto diferente é usar nanoestruturas multidimensionais, como fotoanodos compostos.Esta estrutura combina funções de dispersão para melhorar as capacidades de captura de luz e coleta de cargaUm artigo de investigação afirma que um novo tipo de nanostructura alcançou uma eficiência de conversão de energia de 24% em condições de iluminação artificial extremamente fraca de 0,014 mW/cm2.
3Células solares de peróxido (PSC)
Outra alternativa promissora para aplicações interiores é o PSC, e a investigação sobre este material começou em 2015.Os pesquisadores conseguiram controlar os estados de armadilha e a dinâmica do portador na camada ativa de perovskita projetando uma camada de transporte de elétronsO PSC resultante alcançou uma eficiência de conversão de energia de 27,4% em ambientes interiores.
A perovskita é um tipo de material semicondutor que pode ser processado em solução.apresentando assim uma excelente eficiência de conversão fotoelétrica tanto em fontes de luz LED como em condições de iluminação fluorescenteA eficiência dos dispositivos fotovoltaicos de interiores de perovskita (IPV) atingiu um nível histórico.O recorde mais alto de sempre..
4. Células fotovoltaicas orgânicas
A tecnologia fotovoltaica orgânica (OPV) utiliza moléculas à base de carbono como semicondutores para absorver luz e gerar eletricidade.Os semicondutores orgânicos podem ser personalizados para ter uma forte especificidade do espectro visívelO OPV interior otimizado apresenta uma eficiência de conversão de energia de quase 30% em condições de pouca luz, comparável às melhores células DSSC ou de peróxido.
Essas características tornam o OPV particularmente adequado para implantações discretas de IoT de forma irregular, uma vez que pode ser impresso em películas flexíveis finas em substratos como o plástico PET.Algumas empresas até produzem folhas solares flexíveis para interiores que podem se dobrar ou se adaptar a várias formasPara os designers da IoT, isso significa que as células solares podem ser facilmente integradas em dispositivos, como filmes finos em superfícies de sensores ou filmes de energia em estilo autocolante.