با انفجار دستگاه‌های اینترنت اشیاء (IoT)، چالش تأمین انرژی پایدار و حذف وابستگی به باتری‌های متناوب به یک ضرورت تبدیل شده است. در این میان، سلول‌های خورشیدی داخلی (IPV) با توانایی تبدیل نور محیطی (مانند نور LED) به الکتریسیته، به عنوان راه‌حلی انقلابی ظهور کرده‌اند. این فناوری، کلید خودکفایی انرژی میلیاردها حسگر و تضمین استقرار شبکه‌های IoT بدون نیاز به تعمیر و نگهداری مداوم است.
آینده‌ی اینترنت اشیاء (IoT) در گروی سلول‌های خورشیدی داخلی
اینترنت اشیاء (IoT) متشکل از میلیاردها حسگر و دستگاه هوشمند است که داده‌ها را جمع‌آوری و منتقل می‌کنند. با گسترش این اکوسیستم، چالش بزرگ تأمین انرژی پایدار و بی‌نیاز به تعویض باتری برای این دستگاه‌ها اهمیت حیاتی پیدا کرده است. در این میان، سلول‌های خورشیدی داخلی (Indoor Photovoltaics - IPV) به عنوان راه‌حلی انقلابی ظهور کرده‌اند که نه‌تنها چالش انرژی را حل می‌کنند، بلکه آینده‌ی شبکه‌های IoT خودکفا را تضمین می‌نمایند.
نقش کلیدی سلول‌های خورشیدی در اکوسیستم IoT
اکثر دستگاه‌های IoT – مانند حسگرهای دما، ردیاب‌های دارایی و دکمه‌های هوشمند – نیازمند مقادیر بسیار کمی از انرژی (معمولاً در حد میکرووات یا میلی‌وات) هستند. اما تعویض باتری برای میلیون‌ها حسگر مستقر در ساختمان‌ها، انبارها و فضاهای عمومی، از نظر مالی پرهزینه و از نظر عملیاتی غیرممکن است. اینجاست که سلول‌های خورشیدی داخلی وارد عمل می‌شوند:
خودکفایی انرژی و حذف باتری: IPVها با جذب نور محیطی موجود در فضا (مانند لامپ‌های LED یا فلورسنت)، انرژی الکتریکی مورد نیاز دستگاه IoT را تأمین می‌کنند. این روش، نیاز به باتری‌های یک‌بار مصرف را حذف یا طول عمر آن‌ها را به شدت افزایش می‌دهد، در نتیجه هزینه‌های نگهداری (Maintenance) و تأثیرات زیست‌محیطی کاهش می‌یابد.
استقرار انعطاف‌پذیر: دستگاه‌های IoT بدون وابستگی به شبکه برق یا نگرانی از دسترسی به باتری، می‌توانند در هر نقطه از ساختمان یا زیرساخت شهری نصب شوند. این آزادی در استقرار، امکان جمع‌آوری داده‌ها را در مکان‌هایی که قبلاً غیرقابل دسترس بودند (مانند داخل دیوارها یا زیر سقف‌ها) فراهم می‌سازد.
پایداری شبکه (Network Resilience): یک حسگر مستقل از نظر انرژی، شبکه را در برابر قطعی‌های برق محافظت می‌کند. حتی در صورت قطع شدن منبع برق اصلی ساختمان، حسگرها می‌توانند به کار خود ادامه داده و داده‌های حیاتی را منتقل کنند.
چالش‌ها و ویژگی‌های تولید برق از نور محیط داخلی
تولید برق از نور داخلی با فتوولتائیک‌های سنتی (مخصوص فضای باز) تفاوت‌های بنیادینی دارد. نور محیط داخلی به طور قابل توجهی کم‌انرژی‌تر است (معمولاً در حدود چند صد لوکس در مقایسه با ده‌ها هزار لوکس نور خورشید) و طیف نوری متفاوتی دارد (طیف نروتر از نور خورشید).
نسل جدید سلول‌های خورشیدی داخلی:
برای غلبه بر این چالش‌ها، دانشمندان در حال توسعه نسل جدیدی از مواد فتوولتائیک هستند که برای شرایط نوری کم و طیف نور مصنوعی بهینه‌سازی شده‌اند:
-
سلول‌های سیلیکونی آمورف (Amorphous Silicon): این‌ها اولین نسل از سلول‌های مناسب برای نور کم بودند، اما راندمان کمتری دارند.
-
سلول‌های آلی (Organic Photovoltaics - OPV): این سلول‌ها سبک، انعطاف‌پذیر و ارزان هستند و قابلیت بالایی در جذب طول موج‌های خاص نور LED (که رایج‌ترین منبع نور داخلی است) دارند.
-
سلول‌های پروسکایت (Perovskite): پروسکایت‌ها به دلیل پتانسیل بالای خود در جذب طیف‌های مختلف نور با راندمان بالا و در شرایط نوری کم، به عنوان یک جایگزین بسیار امیدبخش برای تأمین انرژی IoT مطرح هستند.
-
سلول‌های مبتنی بر گالیم آرسنید (GaAs): این سلول‌ها راندمان بالایی دارند و برای توان‌های بالاتر استفاده می‌شوند، اما گران‌تر هستند.
بهینه‌سازی برای طیف نوری:
موفقیت IPV نه تنها در راندمان تبدیل انرژی، بلکه در تطابق طیفی نهفته است. سلول باید به گونه‌ای طراحی شود که حداکثر جذب را در طول موج‌های ساطع‌شده توسط منابع نور داخلی رایج (مانند اوج ساطع شدن در حدود ۴۵۰ نانومتر برای LEDهای سفید) داشته باشد. یک سلول خورشیدی که برای طیف نور خورشید بهینه شده، ممکن است در زیر نور LED بازدهی ناچیزی داشته باشد و بالعکس.
نتیجه‌گیری: IoT پایدار
سلول‌های خورشیدی داخلی، محرک اصلی نسل بعدی استقرار اینترنت اشیاء هستند. این فناوری با فراهم آوردن یک منبع انرژی تمیز، دائمی و خودکفا، زنجیره‌ی وابستگی دستگاه‌های IoT به تعویض دستی باتری را پاره کرده و زمینه را برای شبکه‌هایی بسیار متراکم‌تر، پایدارتر و مقرون به صرفه‌تر فراهم می‌سازد. با پیشرفت در مواد مانند پروسکایت‌ها و OPV، انتظار می‌رود IPVها به زودی به یک جزء استاندارد در طراحی هر حسگر و دستگاه هوشمند تبدیل شوند و رؤیای یک جهان کاملاً متصل را به واقعیت تبدیل کنند.