ตั้งแต่เซ็นเซอร์อาคารอัจฉริยะไปจนถึงเครื่องติดตามทรัพย์สิน อุปกรณ์ IoT ภายในอาคารจำนวนมากยังคงใช้แบตเตอรี่แบบใช้แล้วทิ้งเป็นพลังงานเนื่องจากการออกแบบที่เรียบง่าย อย่างไรก็ตาม การพึ่งพานี้นำมาซึ่งความท้าทายบางประการ รวมถึงอายุการใช้งานที่จำกัด ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา เวลาหยุดทำงาน และปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม ปัจจัยเหล่านี้รวมกันส่งผลโดยตรงต่อความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ IoT
นอกจากนี้ การเปลี่ยนแบตเตอรี่บ่อยครั้งยังใช้เวลานานและไม่มีประสิทธิภาพอีกด้วย สิ่งนี้ขัดแย้งกับวิสัยทัศน์ของ Internet of Things ที่เป็น "อิสระและอุปกรณ์ออนไลน์ตลอดเวลา" ดังนั้นจึงจำเป็นต้องนำวิธีการใหม่มาใช้ในการขับเคลื่อนโหนด IoT ภายในอาคาร เพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือ ลดต้นทุนการบำรุงรักษา และส่งเสริมการใช้งานในวงกว้าง
ตามรายงานของ Transforma Insights คาดว่าการเติบโตของอุปกรณ์ IoT จะเพิ่มความต้องการพลังงาน 34 เทราวัตต์ชั่วโมงภายในปี 2573 ดังนั้น กุญแจสำคัญในการจัดการกับความท้าทายนี้คือการใช้เซลล์แสงอาทิตย์ในอาคารเพื่อการจ่ายไฟอย่างต่อเนื่อง ลดขยะอิเล็กทรอนิกส์โดยใช้วัสดุที่ยั่งยืน และหลีกเลี่ยงการใช้แบตเตอรี่ และลดค่าใช้จ่ายในการใช้พลังงานสำหรับการประมวลผลและส่งข้อมูลให้มากที่สุด
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่ปรับให้เหมาะกับสภาพแวดล้อมภายในอาคารมีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านวัสดุและโครงสร้าง คริสตัลลีนซิลิคอนเป็นวัสดุออกฤทธิ์มาตรฐานสำหรับแผงโซลาร์เซลล์กลางแจ้ง โดยมีแถบความถี่ 1.12 eV อย่างไรก็ตาม เนื่องจากแหล่งกำเนิดแสงในอาคารทั่วไปปล่อยแสงในช่วงที่มองเห็นได้เท่านั้น Bandgap ที่เหมาะสมที่สุดจึงกลายเป็น 1.9-2.0 eV
ดังนั้นผลึกซิลิคอนจึงมีประสิทธิภาพต่ำภายใต้สภาพแสงภายในอาคาร เพื่อแก้ไขปัญหานี้ อุตสาหกรรมได้พัฒนาทางเลือกในร่มโดยใช้เทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวแสง รวมถึงซิลิคอนอสัณฐาน เซลล์แสงอาทิตย์แบบสีย้อมไวแสง (DSSCs) เซลล์แสงอาทิตย์เปอร์ออกไซด์ และเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์
รูปที่ 1: เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดอสัณฐาน AM-1456CA-DGK-E ของ Panasonic Energy ใช้ซับสเตรตที่เป็นแก้ว (แหล่งรูปภาพ: พานาโซนิคพลังงาน)
เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ในร่มที่สำคัญสำหรับ Internet of Things
1. แบตเตอรี่ซิลิคอนอสัณฐาน (a-Si)
ซิลิคอนอสัณฐาน (a-Si) เป็นเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางที่เติบโตเต็มที่ โดยมีแถบความถี่แสงประมาณ 1.6 eV ซึ่งใกล้เคียงกับค่าที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานระบบแสงสว่างในอาคาร นี่เป็นเทคโนโลยีแรกที่รวมอยู่ในอุปกรณ์ IoT ภายในอาคารที่ใช้พลังงานต่ำ
เนื่องจากคุณลักษณะการจับคู่สเปกตรัมของซิลิคอนอสัณฐานและแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดที่ค่อนข้างสูงที่ระดับแสงน้อย a-Si จึงทำงานได้ดีกว่าซิลิคอนแบบผลึกภายใต้สภาพแสงภายในอาคารทั่วไป การทดสอบแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ a-Si ที่เติมไฮโดรเจนภายใต้ไฟ LED ภายในอาคารสามารถสูงถึง 21%
ข้อได้เปรียบหลักของเซลล์แสงอาทิตย์ a-Si คือการใช้แหล่งพลาสมาที่เป็นก๊าซเพื่อผลิตฟิล์มบางซึ่งมีความคุ้มค่า ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตเซลล์แสงอาทิตย์บนพื้นผิวที่มีความยืดหยุ่นซึ่งมีต้นทุนต่ำ
อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้มีข้อจำกัดที่สำคัญ เนื่องจากต้องใช้พื้นที่แบตเตอรี่ขนาดใหญ่กว่าจึงจะสร้างพลังงานได้เท่ากับเทคโนโลยีใหม่ นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้าที่สร้างโดยแบตเตอรี่ a-Si แต่ละก้อนยังค่อนข้างต่ำ ดังนั้น จึงมักจะจำเป็นต้องเชื่อมต่อแบตเตอรี่แต่ละก้อนแบบอนุกรมเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่ต้องการโดยอุปกรณ์ IoT
รูปที่ 2: เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดยืดหยุ่นบางอสัณฐาน BCS4430B6 จาก TDK Corporation โดยมีแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด 4.2 V (แหล่งรูปภาพ: TDK Corporation)
2. เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (DSSC)
ในฐานะที่เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์รุ่นใหม่ หลักการทำงานของ DSSC จึงคล้ายกับการสังเคราะห์ด้วยแสง สีย้อมบนอิเล็กโทรดทำงานจะสร้างอิเล็กตรอนผ่านความไวแสง ซึ่งจากนั้นจะถูกเติมด้วยอิเล็กโทรไลต์ผ่านปฏิกิริยารีดอกซ์ สีย้อมนี้สามารถปรับให้เหมาะสมตามสเปกตรัมการปล่อยแสงของแหล่งกำเนิดแสงภายในอาคาร ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน IoT ภายในอาคาร
วิธีการออกแบบที่แตกต่างออกไปคือการใช้โครงสร้างนาโนหลายมิติ เช่น โฟโตขั้วบวกแบบคอมโพสิต โครงสร้างนี้รวมฟังก์ชันการกระเจิงเพื่อเพิ่มความสามารถในการจับแสงและการเก็บประจุ บทความวิจัยอ้างว่าโครงสร้างนาโนชนิดใหม่มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานถึง 24% ภายใต้สภาพแสงประดิษฐ์ที่น้อยมากที่ 0.014 mW/cm2
3. เซลล์แสงอาทิตย์เปอร์ออกไซด์ (PSC)
ทางเลือกอื่นที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานภายในอาคารคือ PSC และการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุนี้เริ่มขึ้นในปี 2558 ในการศึกษานี้ นักวิจัยสามารถควบคุมสถานะกับดักและการเปลี่ยนแปลงของผู้ให้บริการในชั้นแอคทีฟของ perovskite โดยการออกแบบชั้นการขนส่งอิเล็กตรอน ผลลัพธ์ที่ได้ PSC บรรลุประสิทธิภาพการแปลงพลังงานที่ 27.4% ในสภาพแวดล้อมภายในอาคาร
Perovskite เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ประเภทหนึ่งที่สามารถแปรรูปในสารละลายได้ วัสดุนี้สามารถปรับให้เป็นค่า bandgap ในอุดมคติที่ 1.8 eV และมีคุณสมบัติไฟฟ้าโซลาร์เซลล์สูง จึงแสดงประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกที่ยอดเยี่ยมภายใต้ทั้งแหล่งกำเนิดแสง LED และสภาพแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ในร่ม (IPV) ของ perovskite พุ่งแตะระดับสูงสุดเป็นประวัติการณ์ รายงานการวิจัยในปี 2025 แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพการแปลงพลังงานที่ 1,000 ลักซ์อยู่ที่ 42% ซึ่งสูงเป็นประวัติการณ์
4. เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ (OPV)
เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แบบอินทรีย์ (OPV) ใช้โมเลกุลที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลักเป็นเซมิคอนดักเตอร์เพื่อดูดซับแสงและผลิตกระแสไฟฟ้า ด้วยการออกแบบโมเลกุล สารกึ่งตัวนำอินทรีย์สามารถปรับแต่งให้มีความจำเพาะของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ชัดเจน OPV ภายในอาคารที่ได้รับการปรับปรุงให้มีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานเกือบ 30% ภายใต้สภาพแสงน้อย ซึ่งเทียบได้กับ DSSC หรือเซลล์เปอร์ออกไซด์ที่ดีที่สุด
คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้ OPV เหมาะสมเป็นพิเศษสำหรับการใช้งาน IoT แบบแยกที่มีรูปทรงไม่สม่ำเสมอ เนื่องจากสามารถพิมพ์ลงในฟิล์มยืดหยุ่นบาง ๆ บนพื้นผิว เช่น พลาสติก PET บริษัทบางแห่งถึงกับผลิตฟอยล์แสงอาทิตย์ภายในอาคารที่มีความยืดหยุ่น ซึ่งสามารถโค้งงอหรือปรับให้เข้ากับรูปทรงต่างๆ ได้ สำหรับนักออกแบบ IoT นั่นหมายความว่าโซลาร์เซลล์สามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์ได้อย่างง่ายดาย เช่น ฟิล์มบางบนพื้นผิวเซ็นเซอร์หรือฟิล์มพาวเวอร์สไตล์สติกเกอร์