In che modo le celle solari possono migliorare l'affidabilità dei dispositivi IoT per interni?

Molti dispositivi IoT per interni, dai sensori per gli edifici intelligenti ai localizzatori di risorse, si affidano ancora a batterie usa e getta perché sono semplici da progettare. Tuttavia, questa dipendenza comporta diverse problematiche, tra cui una durata limitata, costi di manutenzione, tempi di fermo operativi e problemi ambientali. Insieme, questi fattori hanno un impatto diretto sull'affidabilità dei dispositivi IoT.

Inoltre, la sostituzione frequente delle batterie è dispendiosa in termini di tempo e inefficiente ed è controproducente per la visione dell'IoT di dispositivi autonomi e sempre attivi. Pertanto, è necessario un nuovo approccio all'alimentazione dei nodi IoT al chiuso, per migliorare l'affidabilità, ridurre al minimo i costi di manutenzione e facilitare l'implementazione su larga scala.

Secondo un report condotto da Transforma Insights, si prevede che la crescita dei dispositivi IoT aumenterà la domanda energetica a 34 terawatt/ora entro il 2030. È quindi fondamentale utilizzare celle solari per interni per l'alimentazione continua, ridurre i rifiuti elettronici utilizzando materiali sostenibili ed evitando le batterie monouso e contenere il più possibile i costi energetici di elaborazione e trasferimento dati.

Negli ultimi anni si è assistito a un progresso tecnologico dirompente che ha riguardato i materiali e l'architettura fotovoltaica appositamente sviluppata per gli ambienti al chiuso. Il silicio cristallino, un materiale attivo standard per i pannelli solari per esterni, ha un bandgap di 1,12 eV. Tuttavia, dato che le tipiche sorgenti luminose per interni emettono solo luce nella gamma visibile, il bandgap ottimale passa a 1,9 ~ 2,0 eV.

Di conseguenza, il silicio cristallino ha scarse prestazioni in condizioni di illuminazione interna. Per risolvere questo problema, sono state sviluppate alternative con tecnologie di raccolta della luce per l'uso interno, tra cui celle in silicio amorfo, celle di Grätzel (celle solari a sensibilizzante organico, DSSC), celle solari a perovskite e celle fotovoltaiche organiche.

Figura 1: La cella solare amorfa AM-1456CA-DGK-E di Panasonic Energy con substrato di tipo vetroso. (Immagine per gentile concessione di Panasonic Energy)

Tecnologie fotovoltaiche chiave per l'IoT per interni

1. Celle in silicio amorfo (a-Si)

Il silicio amorfo (a-Si) è una tecnologia solare a film sottile consolidata con un bandgap ottico di circa 1,6 eV, molto vicino al valore ottimale per le applicazioni di illuminazione per interni. È stata la prima tecnologia incorporata nei dispositivi IoT per interni a basso consumo.

Grazie alla sua corrispondenza spettrale e alla tensione a circuito aperto relativamente elevata a bassi livelli di luce, l'a-Si surclassa il silicio cristallino nelle tipiche condizioni di illuminazione ambientale. I test mostrano che le celle solari a-Si idrogenate possono raggiungere un'efficienza fino al 21% con illuminazione interna a LED.

Uno dei principali vantaggi delle celle solari basate su a-Si è la loro produzione a film sottile a basso costo, che utilizza sorgenti di plasma gassoso. Ciò consente di produrre celle solari su substrati flessibili a basso costo.

Tuttavia, un limite significativo di questa tecnologia è che richiede una superficie cellulare più ampia per generare la stessa potenza delle tecnologie più recenti. Inoltre, ogni cella a-Si produce individualmente una tensione relativamente bassa, per cui le celle vengono spesso collegate in serie per fornire la tensione richiesta dai dispositivi IoT.

Figura 2: La cella solare amorfa sottile e flessibile BCS4430B6 di TDK Corporation con tensione a circuito aperto di 4,2 V. (Immagine per gentile concessione di TDK Corporation)

2. Celle solari a sensibilizzante organico (DSSC)

Come dispositivi fotovoltaici di nuova generazione, le DSSC funzionano in modo simile alla fotosintesi, con fotosensibilizzazione del colorante sull'elettrodo di lavoro che genera elettroni prima di essere reintegrato da un elettrolita attraverso una reazione redox (ossidoriduzione). Il colorante può essere ottimizzato per adattarsi allo spettro di emissione delle sorgenti luminose per interni, ideale per le applicazioni IoT al chiuso.

Un approccio progettuale diverso utilizza nanoarchitetture multidimensionali, come i fotoanodi compositi che combinano caratteristiche di dispersione per migliorare l'intrappolamento della luce e la raccolta della carica. Uno studio di ricerca riporta un'efficienza di conversione della potenza del 24% in condizioni di luce artificiale estremamente bassa pari a 0,014 mW/cm² utilizzando una nanostruttura di nuova concezione.

3. Celle solari in perovskite (PSC)

Un'altra promettente alternativa per le applicazioni interne sono le PSC, studiate per la prima volta nel 2015. In questo studio, i ricercatori hanno controllato le trappole nello strato attivo della perovskite e la dinamica dei portatori progettando uno strato di trasferimento di elettroni. La PSC risultante ha registrato un'efficienza di conversione della potenza del 27,4% in ambienti interni.

Le perovskiti sono una famiglia di materiali semiconduttori lavorabili in soluzione che possono essere regolati per band gap ideali di 1,8 eV e un'elevata fototensione, il che le rende altamente efficienti sotto l'illuminazione a LED e fluorescente. I dispositivi fotovoltaici per interni (IPV) in perovskite hanno raggiunto livelli di efficienza da record. Uno studio del 2025 ha indicato un'efficienza di conversione della potenza del 42% a 1.000 lux, tra le più alte mai registrate.

4. Celle fotovoltaiche organiche (OPV)

Le celle fotovoltaiche organiche (OPV) utilizzano molecole a base di carbonio come semiconduttori per assorbire la luce e generare energia. Grazie alla progettazione molecolare, i semiconduttori organici possono essere adattati per colpire lo spettro visibile. Le OPV ottimizzate per interni hanno dimostrato un'efficienza di conversione della potenza prossima al 30% in condizioni di scarsa illuminazione, paragonabile alle migliori celle DSSC o in perovskite.

Queste caratteristiche rendono le OPV particolarmente adatte per implementazioni IoT discrete in fattori di forma irregolari, poiché possono essere stampate come un film sottile e flessibile su substrati come la plastica PET. Le aziende hanno addirittura prodotto film solari flessibili per interni, capaci di piegarsi o adattarsi a varie forme. Per i progettisti IoT, ciò significa che una cella solare può essere facilmente integrata, ad esempio, come un film sottile sulla superficie di un sensore o come un film di potenza simile a un adesivo all'interno di un dispositivo.

Conclusione

Le celle solari per interni si sono affermate come una tecnologia chiave per la realizzazione di sistemi IoT autonomi. Raccogliendo l'energia dalla luce ambiente, queste celle solari sono un'alternativa pratica alle batterie usa e getta e consentono un funzionamento duraturo e a bassa manutenzione.

I continui progressi nelle scienze dei materiali, in particolare con perovskiti e materiali organici, stanno spingendo l'efficienza nella conversione di potenza a livelli più elevati in condizioni di scarsa illuminazione, mentre le strategie di integrazione intelligente stanno risolvendo i problemi di stabilità e i vincoli nel fattore di forma. Il risultato è un percorso chiaro verso un futuro più sostenibile per l'ambiente IoT.