Solarzellen mit höherer Zuverlässigkeit für IoT-Geräte in Innenräumen

Viele IoT-Geräte für den Innenbereich, von intelligenten Gebäudesensoren bis hin zu Asset-Trackern, sind wegen der einfachen Implementierung immer noch auf Einwegbatterien angewiesen. Diese Abhängigkeit bringt jedoch mehrere Probleme mit sich, darunter eine begrenzte Lebensdauer, ein hoher Wartungsaufwand, Betriebsausfälle und Umweltprobleme. Zusammengenommen wirken sich diese Faktoren direkt auf die Zuverlässigkeit von IoT-Geräten aus.

Der häufige Austausch von Batterien ist zudem zeitaufwändig und ineffizient. Dies ist kontraproduktiv für die IoT-Vision von autonomen, ständig eingeschalteten Geräten. Daher ist ein neuer Ansatz für die Stromversorgung von IoT-Knoten in Innenräumen erforderlich, um die Zuverlässigkeit zu verbessern, die Wartungskosten zu minimieren und die großflächige Einführung zu erleichtern.

Einem Bericht von Transforma Insights zufolge wird die Zunahme von IoT-Geräten den Energiebedarf bis 2030 voraussichtlich um 34 Terawattstunden erhöhen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, Solarzellen in Innenräumen für eine kontinuierliche Stromversorgung zu nutzen, Elektronikschrott durch die Verwendung nachhaltiger Materialien und die Vermeidung von Batterien zu reduzieren und die Energiekosten für Berechnungen und Datenübertragung zu minimieren.

In den letzten Jahren gab es enorme technologische Fortschritte bei den Materialien und der Architektur von Photovoltaik-Technologien, die für Innenräume geeignet sind. Kristallines Silizium, ein aktives Standardmaterial für Solarzellen im Freien, hat eine Bandlücke von 1,12 eV. Da die typischen Lichtquellen in Innenräumen jedoch nur im sichtbaren Bereich emittieren, verschiebt sich die optimale Bandlücke auf 1,9 bis 2,0 eV.

Daher ist die Performance von kristallinem Silizium bei Innenbeleuchtung schlecht. Deshalb hat die Industrie Alternativen mit Lichtsammeltechnologien für den Einsatz in Innenräumen entwickelt, darunter amorphes Silizium, Farbstoffsolarzellen (DSSC), Perowskit-Solarzellen und organische Photovoltaikzellen.

Abbildung 1: Die amorphe Solarzelle AM-1456CA-DGK-E von Panasonic Energy mit Glassubstrat. (Bildquelle: Panasonic Energy)

Schlüsseltechnologien der Innenraum-Photovoltaik für das IoT

1. Amorphe Siliziumzellen (a-Si)

Amorphes Silizium (a-Si) ist eine gut etablierte Dünnschicht-Solartechnologie mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,6 eV, die näher am optimalen Wert für Anwendungen bei der Innenbeleuchtung liegt. Es war die erste Technologie, die in stromsparende IoT-Geräte für den Innenbereich integriert wurde.

Aufgrund seiner spektralen Übereinstimmung und seiner relativ hohen Leerlaufspannung bei niedrigen Lichtstärken übertrifft a-Si kristallines Silizium bei typischer Raumbeleuchtung. Tests zeigen, dass hydrierte a-Si-Solarzellen unter LED-Innenbeleuchtung einen Wirkungsgrad von bis zu 21% erreichen können.

Ein entscheidender Vorteil von a-Si-basierten Solarzellen ist ihre kostengünstige Dünnschichtherstellung mit Hilfe von Gasplasmaquellen. Dadurch können die Solarzellen auf kostengünstigen flexiblen Substraten hergestellt werden.

Eine wesentliche Einschränkung dieser Technologie besteht jedoch darin, dass sie eine größere Zellfläche benötigt, um die gleiche Leistung wie neuere Technologien zu erzeugen. Außerdem erzeugt jede einzelne a-Si-Zelle eine relativ niedrige Spannung, so dass die Zellen oft in Reihe geschaltet werden, um die für IoT-Geräte erforderliche Spannung zu erreichen.

Abbildung 2: Die amorphe, dünne und flexible Solarzelle BCS4430B6 der TDK Corporation mit 4,2 V Leerlaufspannung. (Bildquelle: TDK Corporation)

2. Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSC)

Als neuere Generation photovoltaischer Komponenten funktionieren DSSCs ähnlich wie die Photosynthese mit der Photosensibilisierung eines Farbstoffs auf der Arbeitselektrode, der Elektronen erzeugt, bevor er von einem Elektrolyten durch eine Redoxreaktion wieder aufgefüllt wird. Der Farbstoff kann so optimiert werden, dass er mit dem Emissionsspektrum von Lichtquellen in Innenräumen übereinstimmt, was ihn zu einer guten Wahl für IoT-Anwendungen in Innenräumen macht.

Ein anderer Ansatz sind mehrdimensionale Nanoarchitekturen, wie z. B. zusammengesetzte Photoanoden, die Streuungseigenschaften kombinieren, um den Lichteinfang und die Ladungssammlung zu verbessern. In einem Forschungsbericht wird ein Wirkungsgrad von 24% bei extrem schwachem Kunstlicht von 0,014 mW/cm² unter Verwendung einer neuartigen Nanostruktur angegeben.

3. Perowskit-Solarzellen (PSCs)

Eine weitere vielversprechende Alternative für Innenanwendungen sind PSCs, die 2015 erstmals erforscht wurden. In dieser Studie kontrollierten die Forscher die Fallen in der aktiven Perowskit-Schicht und die Ladungsträgerdynamik durch den Entwurf einer Elektronentransferschicht. Der resultierende PSC erreichte einen Wirkungsgrad von 27,4% in Innenräumen.

Perowskite sind eine Familie von in Lösung verarbeitbaren Halbleitermaterialien, die so angepasst werden können, dass sie eine ideale Bandlücke von 1,8 eV und eine hohe Photospannung aufweisen, was sie unter LED- und Leuchtstoffröhrenbeleuchtung sehr effizient macht. Perowskit-Photovoltaikanlagen für Innenräume (IPV) haben rekordverdächtige Wirkungsgrade erreicht. In einer Studie aus dem Jahr 2025 wurde ein Wirkungsgrad von 42% bei 1000 Lux ermittelt, was zu den höchsten jemals gemessenen Werten gehört.

4. Organische photovoltaische Zellen (OPV)

Die organische Photovoltaik (OPV) nutzt Moleküle auf Kohlenstoffbasis als Halbleiter, um Licht zu absorbieren und Strom zu erzeugen. Durch molekulares Design können organische Halbleiter so zugeschnitten werden, dass sie den sichtbaren Bereich stark ansprechen. Optimierte OPVs für den Innenbereich haben einen Wirkungsgrad von nahezu 30% bei geringer Beleuchtung gezeigt, was mit den besten DSSC- oder Perowskit-Zellen vergleichbar ist.

Diese Eigenschaften machen OPV besonders geeignet für diskrete IoT-Anwendungen mit unregelmäßigen Formfaktoren, da es als dünne, flexible Folie auf Substrate wie PET-Kunststoff gedruckt werden kann. Unternehmen haben sogar flexible Solarfolien für Innenräume hergestellt, die sich biegen oder an verschiedene Formen anpassen können. Für IoT-Designer bedeutet dies, dass eine Solarzelle leicht integriert werden kann, z. B. als dünner Film auf der Oberfläche eines Sensors oder als aufkleberähnlicher Power-Film im Inneren eines Geräts.

Fazit

Solarzellen für den Innenbereich haben sich zu einer Schlüsseltechnologie für den Aufbau autonomer IoT-Systeme entwickelt. Durch die Gewinnung von Energie aus dem Umgebungslicht stellen diese Solarzellen eine praktische Alternative zu Einwegbatterien dar und ermöglichen einen lang anhaltenden und wartungsarmen Betrieb.

Die anhaltenden Fortschritte in der Materialwissenschaft, insbesondere bei Perowskiten und organischen Stoffen, treiben den Wirkungsgrad der Energieumwandlung bei schlechten Lichtverhältnissen in die Höhe, während intelligente Integrationsstrategien die Einschränkungen hinsichtlich Stabilität und Formfaktor berücksichtigen. Das Ergebnis ist ein klarer Weg zu einer nachhaltigeren Zukunft für das IoT-Umfeld.