Van slimme gebouwsensoren tot activatrackers: veel IoT-apparaten voor binnenshuis zijn vanwege hun eenvoudige ontwerp nog steeds afhankelijk van wegwerpbatterijen voor hun stroomvoorziening. Deze afhankelijkheid brengt echter een aantal uitdagingen met zich mee, waaronder een beperkte levensduur, onderhoudskosten, operationele stilstand en milieuproblemen. Deze factoren samen hebben een directe invloed op de betrouwbaarheid van IoT-apparaten.
Bovendien is het regelmatig vervangen van de batterij zowel tijdrovend als inefficiënt. Dit druist in tegen de visie dat het Internet of Things ‘autonoom is en dat apparaten altijd online zijn’. Daarom is het noodzakelijk om nieuwe methoden toe te passen om indoor IoT-knooppunten van stroom te voorzien om de betrouwbaarheid te verbeteren, de onderhoudskosten te minimaliseren en grootschalige implementatie te bevorderen.
Volgens een rapport van Transforma Insights wordt verwacht dat de groei van IoT-apparaten de vraag naar energie tegen 2030 met 34 terawattuur zal doen toenemen. Daarom is de sleutel tot het aanpakken van deze uitdaging het gebruik van zonnecellen binnenshuis voor continue stroomvoorziening, het terugdringen van elektronisch afval door het gebruik van duurzame materialen en het vermijden van het gebruik van batterijen, en het zoveel mogelijk minimaliseren van de energieverbruikskosten voor computergebruik en het verzenden van gegevens.
De afgelopen jaren heeft de fotovoltaïsche technologie, op maat gemaakt voor binnenomgevingen, aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van materialen en constructies. Kristallijn silicium is het standaard actieve materiaal voor zonnepanelen voor buitengebruik, met een bandafstand van 1,12 eV. Omdat typische lichtbronnen voor binnenshuis echter alleen licht uitstralen in het zichtbare bereik, wordt de optimale bandafstand 1,9-2,0 eV.
Daarom presteert kristallijn silicium slecht onder lichtomstandigheden binnenshuis. Om dit probleem aan te pakken heeft de industrie alternatieven voor binnenshuis ontwikkeld die gebruik maken van lichtoogsttechnologie, waaronder amorf silicium, kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC's), peroxidezonnecellen en organische fotovoltaïsche cellen.
Figuur 1: De AM-1456CA-DGK-E amorfe zonnecel van Panasonic Energy maakt gebruik van een glassubstraat. (Afbeeldingsbron: Panasonic Energy)
Belangrijke fotovoltaïsche technologieën voor binnenshuis voor het internet der dingen
1. Batterij van amorf silicium (a-Si).
Amorf silicium (a-Si) is een volwassen dunne-film-zonnetechnologie met een optische bandafstand van ongeveer 1,6 eV, wat dichter bij de optimale waarde ligt voor toepassingen voor binnenverlichting. Dit is de eerste technologie die wordt geïntegreerd in IoT-apparaten voor binnenshuis met een laag vermogen.
Vanwege de spectrale aanpassingseigenschappen van amorf silicium en de relatief hoge nullastspanning bij weinig licht, presteert a-Si beter dan kristallijn silicium onder typische binnenverlichtingsomstandigheden. Tests hebben aangetoond dat het rendement van gehydrogeneerde a-Si-zonnecellen onder LED-binnenverlichting 21% kan bereiken.
Het belangrijkste voordeel van a-Si-zonnecellen is het gebruik van gasvormige plasmabronnen om dunne films te vervaardigen, wat kosteneffectief is. Dit maakt de productie van zonnecellen op goedkope flexibele substraten mogelijk.
Deze technologie heeft echter een grote beperking: er is een groter batterijoppervlak nodig om hetzelfde vermogen te genereren als de nieuwe technologie. Bovendien is de spanning die door elke a-Si-batterij afzonderlijk wordt gegenereerd relatief laag, dus het is meestal nodig om elke batterij in serie aan te sluiten om de spanning te bereiken die vereist is voor IoT-apparaten.
Figuur 2: BCS4430B6 amorfe dunne flexibele zonnecel van TDK Corporation, met een nullastspanning van 4,2 V. (Bron afbeelding: TDK Corporation)
2. Kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC's)
Als fotovoltaïsch apparaat van de nieuwe generatie is het werkingsprincipe van DSSC vergelijkbaar met fotosynthese. De kleurstof op de werkelektrode genereert elektronen via lichtgevoeligheid, die vervolgens door de elektrolyt worden aangevuld via redoxreacties. Deze kleurstof kan worden geoptimaliseerd op basis van het emissiespectrum van lichtbronnen binnenshuis, waardoor deze zeer geschikt is voor IoT-toepassingen binnenshuis.
Een andere ontwerpbenadering is het gebruik van multidimensionale nanostructuren, zoals samengestelde fotoanodes. Deze structuur combineert verstrooiingsfuncties om de mogelijkheden voor het opvangen van licht en het verzamelen van ladingen te verbeteren. Een onderzoeksartikel beweert dat een nieuw type nanostructuur een energieomzettingsrendement van 24% heeft bereikt onder extreem zwakke kunstmatige lichtomstandigheden van 0,014 mW/cm2.
3. Peroxidezonnecellen (PSC)
Een ander veelbelovend alternatief voor binnentoepassingen is PSC, en het onderzoek naar dit materiaal begon in 2015. In deze studie bereikten onderzoekers controle over de valtoestanden en de dragerdynamiek in de actieve perovskietlaag door een elektronentransportlaag te ontwerpen. De resulterende PSC behaalde een energieconversie-efficiëntie van 27,4% in binnenomgevingen.
Perovskiet is een soort halfgeleidermateriaal dat in oplossing kan worden verwerkt. Dit materiaal kan worden aangepast tot een ideale bandgapwaarde van 1,8 eV en heeft hoge fotovoltaïsche eigenschappen, waardoor het een uitstekende foto-elektrische conversie-efficiëntie vertoont onder zowel LED-lichtbronnen als fluorescerende lichtomstandigheden. De efficiëntie van perovskiet fotovoltaïsche (IPV) apparaten voor binnenshuis heeft een historisch hoogtepunt bereikt. Uit een onderzoeksrapport uit 2025 bleek dat de energieomzettingsefficiëntie bij 1000 lux 42% bedroeg, het hoogste record ooit.
4. Organische fotovoltaïsche cellen (OPV's)
Organische fotovoltaïsche technologie (OPV) maakt gebruik van op koolstof gebaseerde moleculen als halfgeleiders om licht te absorberen en elektriciteit op te wekken. Door middel van moleculair ontwerp kunnen organische halfgeleiders worden aangepast om een sterke zichtbare spectrumspecificiteit te hebben. De geoptimaliseerde indoor OPV vertoont een energieconversie-efficiëntie van bijna 30% bij weinig licht, vergelijkbaar met de beste DSSC- of peroxidecellen.
Deze kenmerken maken OPV bijzonder geschikt voor onregelmatig gevormde discrete IoT-implementaties, omdat het kan worden geprint tot dunne flexibele films op substraten zoals PET-plastic. Sommige bedrijven produceren zelfs flexibele zonnefolies voor binnenshuis die kunnen buigen of zich aan verschillende vormen kunnen aanpassen. Voor IoT-ontwerpers betekent dit dat zonnecellen eenvoudig in apparaten kunnen worden geïntegreerd, bijvoorbeeld als dunne films op sensoroppervlakken of als energiefilms in stickerstijl.