من أجهزة استشعار المباني الذكية إلى أجهزة تتبع الأصول، لا تزال العديد من أجهزة إنترنت الأشياء الداخلية تعتمد على البطاريات القابلة للتخلص من الطاقة بسبب تصميمها البسيط. ومع ذلك، فإن هذا الاعتماد يجلب بعض التحديات،بما في ذلك العمر المحدود، تكاليف الصيانة، وقتا توقف التشغيل، والقضايا البيئية. هذه العوامل مجتمعة تؤثر بشكل مباشر على موثوقية أجهزة إنترنت الأشياء.
وبالإضافة إلى ذلك، فإن استبدال البطاريات بشكل متكرر يأخذ وقتًا غير فعال. وهذا يتعارض مع رؤية إنترنت الأشياء التي تكون "مستقلة والأجهزة دائما على الإنترنت". لذلك،من الضروري اعتماد طرق جديدة لتزويد عقد إنترنت الأشياء الداخلية بالطاقة لتحسين الموثوقية، وتقليل تكاليف الصيانة، وتشجيع النشر على نطاق واسع.
ووفقاً لتقرير صادر عن شركة Transforma Insights، من المتوقع أن يزيد نمو أجهزة إنترنت الأشياء من الطلب على الطاقة بنسبة 34 تيرواط ساعة بحلول عام 2030.المفتاح لمواجهة هذا التحدي هو استخدام الخلايا الشمسية الداخلية لتوفير الطاقة المستمرة، تقليل النفايات الإلكترونية باستخدام مواد مستدامة وتجنب استخدام البطاريات، وتقليل تكاليف استهلاك الطاقة للحوسبة ونقل البيانات قدر الإمكان.
في السنوات الأخيرة، حققت تكنولوجيا الطاقة الكهروضوئية المخصصة للبيئات الداخلية تقدما كبيرا في المواد والهياكل.السيليكون البلورية هي المادة النشطة القياسية للألواح الشمسية الخارجية، مع فجوة نطاق 1.12 eV. ومع ذلك ، نظرًا لأن مصادر الضوء الداخلية النموذجية تصدر الضوء فقط في النطاق المرئي ، فإن الفجوة النطاقية المثلى تصبح 1.9-2.0 eV.
لذلك، السيليكون البلورية لديها أداء ضعيف في ظروف الإضاءة الداخلية. لمعالجة هذه المشكلة، وضعت الصناعة بدائل الداخلية باستخدام تكنولوجيا جمع الضوء،بما في ذلك السيليكون غير المتبلور، الخلايا الشمسية الحساسة للصبغات (DSSCs) ، الخلايا الشمسية بيروكسيد، والخلايا الضوئية العضوية.
الشكل 1: الخلية الشمسية غير المتحركة AM-1456CA-DGK-E من Panasonic Energy تستخدم رصيف زجاجي.
تقنيات الطاقة الكهروضوئية الرئيسية في المناطق المغلقة لإنترنت الأشياء
1بطارية السيليكون (a-Si) غير المتبلور
السيليكون غير المتبلور (a-Si) هو تكنولوجيا شمسية متطورة ذات فيلم رقيق مع فجوة نطاق ضوئي تبلغ حوالي 1.6 eV ، وهي أقرب إلى القيمة المثلى لتطبيقات الإضاءة الداخلية.هذه هي أول تكنولوجيا يتم دمجها في أجهزة إنترنت الأشياء الداخلية ذات الطاقة المنخفضة.
نظراً لخصائص مطابقة الطيفية للسيليكون الجامد وجهد الدوائر المفتوحة العالي نسبياً عند مستويات الضوء المنخفضةa-Si يعمل بشكل أفضل من السيليكون البلورية في ظروف الإضاءة الداخلية النموذجيةوقد أظهرت الاختبارات أن كفاءة الخلايا الشمسية الهيدروجينية a-Si تحت الإضاءة الداخلية LED يمكن أن تصل إلى 21٪.
الميزة الرئيسية للخلايا الشمسية a-Si هي استخدام مصادر البلازما الغازية لتصنيع أفلام رقيقة ، وهو أمر فعال من حيث التكلفة.هذا يسمح بتصنيع الخلايا الشمسية على الركائز المرنة منخفضة التكلفة.
ومع ذلك، فإن هذه التكنولوجيا لديها حد كبير - فهي تتطلب مساحة أكبر من البطارية لتوليد نفس الطاقة مثل التقنية الجديدة.الجهد المولد من كل بطارية a-Si بشكل فردي منخفض نسبياً، لذلك عادة ما يكون من الضروري توصيل كل بطارية في سلسلة لتحقيق الجهد المطلوب من قبل أجهزة إنترنت الأشياء.
الشكل 2: BCS4430B6 الخلية الشمسية المرنة الرقيقة من TDK Corporation ، مع فولتاج دائرة مفتوحة 4.2 فولت. (مصدر الصورة: TDK Corporation)
2الخلايا الشمسية الحساسة للصباغات (DSSCs)
كجهاز الطاقة الكهروضوئية من الجيل الجديد ، فإن مبدأ عمل DSSC يشبه عملية التمثيل الضوئي. يصنع الصبغ على الكهرباء العاملة إلكترونات من خلال الحساسية الضوئية ،والتي يتم تجديدها من قبل الالكتروليت من خلال تفاعلات ريدوكسيمكن تحسين هذا الصبغ بناءً على طيف انبعاثات مصادر الضوء الداخلية، مما يجعله مناسبًا للغاية لتطبيقات إنترنت الأشياء الداخلية.
نهج تصميم مختلف هو استخدام الهياكل النانوية متعددة الأبعاد، مثل الفوتوانود المركبة.يجمع هذا الهيكل بين وظائف التشتت لتعزيز قدرات التقاط الضوء وجمع الشحناتيزعم ورقة بحثية أن نوعًا جديدًا من الهيكل النانوي قد حقق كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 24٪ في ظل ظروف إضاءة اصطناعية ضعيفة للغاية تبلغ 0.014 ميغاوات / سم 2.
3خلايا الطاقة الشمسية البيروكسيدية (PSC)
البديل الواعد الآخر للتطبيقات الداخلية هو PSC، وبدأ البحث في هذا المواد في عام 2015.استطاع الباحثون السيطرة على حالات الفخ وديناميكيات الناقل في الطبقة النشطة للبيروفسكيت من خلال تصميم طبقة نقل الإلكتروناتوقد حققت PSC الناتجة كفاءة تحويل الطاقة 27.4٪ في البيئات الداخلية.
البيروفسكيت هو نوع من مواد أشباه الموصلات التي يمكن معالجتها في محلول. يمكن ضبط هذه المادة إلى قيمة الفجوة النطاقية المثالية من 1.8 eV ولديها خصائص فوتوغرافية عالية ،وبالتالي تظهر كفاءة تحويل الكهرباء الضوئية الممتازة في كل من مصادر الضوء LED وظروف الإضاءة الفلورسنتوقد وصلت كفاءة أجهزة بيروفسكيت الضوئية الداخلية (IPV) إلى مستوى تاريخي. أظهر تقرير بحثي في عام 2025 أن كفاءة تحويل الطاقة عند 1000 لوكس كانت 42٪،أعلى سجل على الإطلاق.
4الخلايا الكهروضوئية العضوية
تكنولوجيا الطاقة الشمسية العضوية (OPV) تستخدم جزيئات الكربون كموصلات نصفية لاستيعاب الضوء وتوليد الكهرباء.يمكن تخصيص أشباه الموصلات العضوية ليكون لها خصائص قوية في الطيف المرئييظهر OPV الداخلي المحسّن كفاءة تحويل الطاقة تصل إلى ما يقرب من 30٪ في ظل ظروف الضوء المنخفض، مماثلًا لأفضل خلايا DSSC أو بيروكسيد.
هذه الخصائص تجعل أوبي مناسبة بشكل خاص لتنفيذات إنترنت الأشياء المنفصلة غير النظامية ، حيث يمكن طباعتها في أفلام مرنة رقيقة على الأساسات مثل البلاستيك البيت.حتى أن بعض الشركات تنتج رقائق شمسية داخلية مرنة يمكن أن تنحني أو تتكيف مع أشكال مختلفةوبالنسبة لمصممي إنترنت الأشياء، هذا يعني أنه يمكن دمج الخلايا الشمسية بسهولة في الأجهزة، مثل الأفلام الرقيقة على أسطح المستشعرات أو أفلام الطاقة على غرار الملصقات.