Postęp cywilizacyjny związany z rozwojem sztucznej inteligencji, która gromadzi, analizuje i wykorzystuje metadane z naszych działań i otaczającego środowiska napędza wzrost zainteresowania urządzeniami w technologii IoT.
Internet Rzeczy (ang. Internet of Things lub Intelligence of Things) to system urządzeń elektronicznych komunikujących się ze sobą bez ingerencji człowieka. Do tej grupy zaliczamy urządzenia typu „smart home” (telewizory, roboty sprzątające, pralki, lodówki, wagi łazienkowe i inne), elektroniczne zegarki i opaski, samochody z funkcją „smart”. Pożądane jest, aby każde z tych urządzeń posiadało zasilanie, lub były samozasilające się. Wraz ze spadkiem zużycia energii we współczesnej elektronice IoT, wewnętrzne urządzenia fotowoltaiczne IPV (ang. Indoor Photovoltaics), mogące zapewnić zasilanie dla małych urządzeń korzystając z oświetlenia wewnątrz budynków, cieszą się ostatnio dużym zainteresowaniem jako samowystarczalne, przyjazne dla środowiska źródła energii.
Historia wewnętrznej fotowoltaiki sięga lat 70, kiedy to ogniwa na bazie krzemu amorficznego zasilały kalkulatory i zegarki. Obecnie urządzenia IPV konwertują białe światło pochodzące z diod LED i lamp fluorescencyjnych wewnątrz budynków zamieniając je na energię elektryczną. Długoterminowe działanie lokalnych źródeł energii do zasilania urządzeń typu smart można częściowo zrealizować poprzez konwersję fotowoltaiczną i pojemnościowe magazynowanie energii. Powszechne ogniwa fotowoltaiczne na bazie krzemu krystalicznego wykazują słabą wydajność w warunkach oświetlenia otoczenia, a ponadto są kosztowne, gdy działają przy znacznie niższych poziomach konwersji energii niż ich rzeczywista zdolność. Dodatkowo są trudne do zintegrowania w małe, lekkie i przenośne systemy IoT [B. Li, InfoMat. 2021, 3, 445–459]. Alternatywą dla krzemu są ogniwa słoneczne trzeciej generacji wytwarzane z roztworów, w tym ogniwa słoneczne uczulane barwnikiem (DSSC), organiczne ogniwa słoneczne (OSC), ogniwa słoneczne z kropkami kwantowymi (QDSC) i perowskitowe ogniwa słoneczne (PSC), których rozwój postępował w ostatnich latach. Cechy charakterystyczne tych ogniw czyli wysoka absorpcja, prostota otrzymywania i dostosowania do podłoża, możliwość sterowania szerokością pasma wzbronionego, sprzyjają prowadzeniu szeroko zakrojonych badań nad ich zastosowaniem w wewnętrznej fotowoltaice [N. Yan, Chin Chem Lett, 2020, 31(3), 643-653]. Warto jednak podkreślić, że różne typy ogniw trzeciej generacji wykazują różne wady, takie jak brak stabilności długoterminowej, toksyczność czy fotodegradacja.
Fotowoltaika IPV charakteryzuje się niewielką powierzchnią ogniwa słonecznego wynoszącą maksymalnie do kilku centymetrów kwadratowych. Sumując rozproszone promieniowanie słoneczne wewnątrz budynku i oświetlenie pochodzące ze sztucznych źródeł światła, można oszacować, że natężenie światła padającego na ogniwo wyniesie zaledwie 0,1 – 10 W na 1 m2 powierzchni urządzenia PV. Ale zmiana źródła oświetlenia z AM1,5G na oświetlenie wewnętrzne to nie tylko zmiana jego intensywności. Oświetlenie wewnętrzne jest projektowane i optymalizowane w oparciu o czułość spektralną ludzkich oczu w zakresie długości fali 380 - 780 nm, której wartość szczytowa przypada na ok. 550 nm [B. Li, J Mater Chem C, 2020, 8(31), 10676-10695]. Z tego powodu urządzenia IPV mogą mieć wyższą wartość przerwy wzbronionej od krzemowych odpowiedników i dzięki temu osiągać wyższe wartości napięcia obwodu otwartego (Voc), jednocześnie wykorzystując fotony o znacznie wyższej energii.
Amorficzne ogniwa krzemowe zyskały popularność w zastosowaniach wewnętrznych dzięki opłacalnej produkcji cienkowarstwowej z gazowych źródeł plazmy umożliwiającej formowanie ich na tanich, elastycznych podłożach i otrzymywanie ogniw o dobrej stabilności i żywotności. Z wartością energii przerwy wzbronionej wynoszącą 2 eV kwalifikują się do zastosowań IPV i były pierwszą technologią wbudowaną w wewnętrzną elektronikę o niskim poborze mocy [M. Li, Adv Energy Mater, 2020, 10(28), 2000641]. Naukowcy wykazali, że ogniwo zbudowane z uwodornionego amorficznego krzemu (a-Si:H) wykazało wyższą sprawność konwersji fotowoltaicznej w energooszczędnych warunkach oświetleniowych w porównaniu do warunków STC (Standard Test Conditions). Dla ogniwa na bazie krzemu krystalicznego tendencja była odwrotna wykazując znikomą wartość sprawności w słabym oświetleniu LED. Wyższą wydajność krzemu amorficznego przypisano wyższemu Voc w słabym świetle związanemu z większą wartością energii pasma wzbronionego w porównaniu z krzemem krystalicznym [J.F. Randall, Renew Energy, 2003, 28(12), 1851-1864].
W przypadku ogniw barwnikowych DSSC ich przewagą jest wrażliwość na zmiany natężenia promieniowania co sprawia, że mogą być odpowiednim materiałem do absorbowania energii świetlnej zarówno w pomieszczeniach, jak i na zewnątrz. Ich mechanizm działania jest podobny do fotosyntezy, która zachodzi w roślinach, z fotouczulaniem barwnika na elektrodzie roboczej (zwykle TiO2), generując elektrony przed uzupełnieniem elektrolitem w wyniku reakcji redoks [F. Bella, Chem Soc Rev, 2015, 44(11), 3431-3473]. Wśród barwników dedykowanych do pracy w pomieszczeniach wymienia się porfirynę Y1A1, z uwagi na wysoki współczynnik absorpcji, doskonałą stabilność, niskie koszty syntezy i wydajne przenoszeniem elektronów, oraz antracen (D-A-π-A) ze względu na unikalne właściwości fotofizyczne, takie jak jasnoniebieska elektroluminescencja i dopasowanie widmowe do światła LED [Y.S. Tingare, Adv Energy Mater, 2017, 7(18), 1700032].
Badacze zajmujący się ogniwami organicznymi OSC wskazują ich potencjał do zastosowania w warunkach sztucznego oświetlenia z uwagi na optymalną szerokość pasma wzbronionego dopasowaną do absorpcji światła w pomieszczeniu wynoszącą 1,9 eV zamiast 1,4 eV dla standardowego światła słonecznego i przez to lepsze dopasowanie widmowe do światła w pomieszczeniu [M. Freunek, IEEE J Photovolt, 2013, 3(1), 59-64]. Naukowcy pokazali już ogniwa OSC o powierzchni 1 cm2 uzyskujące sprawność równą 26,1% przy oświetleniu LED na poziomie 1000 luksów [Y. Cui, Nat Energy, 2019, 4(9), 768-775] oraz moduł o powierzchni przekraczającej 20 cm2 osiągający sprawność na poziomie 21,8% przy lampie fluorescencyjnej o natężeniu 1000 luksów [C.Y. Liao, Joule, 2020, 4(1), 189-206].
Koloidalne kropki kwantowe (QDSC) to rodzaj nanometrycznych kryształów półprzewodnikowych, które wykazują unikalne właściwości optyczne i elektryczne, w tym zależną od ich wielkości absorpcję światła, doskonałą stabilność, wysoką mobilność ładunku elektrycznego i łatwą syntezę. Obecnie ten rodzaj ogniw w zastosowaniach wewnątrz budynków występuje jedynie jako połączenie hybrydowe z innymi strukturami cechując się wydajnością na poziomie 19,5% przy oświetleniu wewnętrznym o natężeniu 2000 luksów, ale stanowi jednak perspektywiczny kierunek badań. [B. Li, J Mater Chem C, 2020, 8(31), 10676-10695; B. Hou, Adv Funct Mater, 2020, 30(39), 2004563]
Najszerzej badaną i zarazem najlepiej rokującą grupą materiałów do zastosowań IPV są perowskity (PSC). Dzięki precyzyjnemu sterowaniu wartością przerwy wzbronionej za pomocą modyfikacji składu materiału fotoaktywnego osiągnięto rekordowo wysoką wydajność 36,2% (przy wyróżniającym się wysokim Voc wynoszącym 1,028 V) dla ogniwa o powierzchni 0,1 cm2 oświetlając je lampą fluorescencyjną z natężeniem równym 1000 luksów. Dla większego ogniwa o powierzchni 1,5 cm x 1,5 cm sprawność również jest znakomita i wynosi 30,6% utrzymując długoterminową stabilność > 95% pierwotnej wydajności przy ciągłym nasyceniu światłem przez 2000 godzin [R. Cheng, Adv Energy Mater, 2019, 9(38), 1901980].
W Polsce inicjatywę promującą urządzenia IPV podjęły PKN ORLEN i Sule Technologies wprowadzając etykiety PESL (ang. Perovskite Electronic Shelf Label) zasilane światłem naturalnym i sztucznym. Docelowo pilotaż obejmie montaż ponad 1500 szt. etykiet na stacjach ORLEN [https://www.orlen.pl/pl/o-firmie/media/komunikaty-prasowe/2022/wrzesien/orlen-testuje-innowacyjne-etykiety—z dn. 29.12.2022].
Obraz autorstwa <a href="https://pl.freepik.com/darmowe-zdjecie/naukowcy-wspolnie-pracuja-nad-rozwiazaniami-oszczedzajacymi-energie_12062871.htm#query=indoor%20photovoltaics&position=20&from_view=search&track=ais">Freepik</a>
