Từ cảm biến tòa nhà thông minh đến thiết bị theo dõi tài sản, nhiều thiết bị IoT trong nhà vẫn dựa vào nguồn điện từ pin dùng một lần do thiết kế đơn giản của chúng. Tuy nhiên, sự phụ thuộc này mang lại một số thách thức, bao gồm tuổi thọ hạn chế, chi phí bảo trì, thời gian ngừng hoạt động và các vấn đề môi trường. Những yếu tố này kết hợp lại ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của thiết bị IoT.
Ngoài ra, việc thay pin thường xuyên vừa tốn thời gian vừa không hiệu quả. Điều này đi ngược lại tầm nhìn về Internet of Things là "tự trị và các thiết bị luôn trực tuyến". Do đó, cần áp dụng các phương pháp mới để cấp nguồn cho các nút IoT trong nhà nhằm cải thiện độ tin cậy, giảm thiểu chi phí bảo trì và thúc đẩy triển khai quy mô lớn.
Theo báo cáo của Transforma Insights, dự kiến sự phát triển của các thiết bị IoT sẽ làm tăng nhu cầu năng lượng thêm 34 terawatt giờ vào năm 2030. Do đó, chìa khóa để giải quyết thách thức này là sử dụng pin mặt trời trong nhà để cung cấp điện liên tục, giảm rác thải điện tử bằng cách sử dụng vật liệu bền vững và tránh sử dụng pin, đồng thời giảm thiểu chi phí tiêu thụ năng lượng cho tính toán và truyền dữ liệu càng nhiều càng tốt.
Trong những năm gần đây, công nghệ quang điện phù hợp với môi trường trong nhà đã đạt được tiến bộ đáng kể về vật liệu và kết cấu. Silicon tinh thể là vật liệu hoạt động tiêu chuẩn cho các tấm pin mặt trời ngoài trời, với dải tần 1,12 eV. Tuy nhiên, do các nguồn sáng trong nhà thông thường chỉ phát ra ánh sáng trong phạm vi khả kiến nên dải tần tối ưu sẽ là 1,9-2,0 eV.
Vì vậy, silicon tinh thể có hiệu suất kém trong điều kiện ánh sáng trong nhà. Để giải quyết vấn đề này, ngành công nghiệp đã phát triển các giải pháp thay thế trong nhà bằng công nghệ thu hoạch ánh sáng, bao gồm silicon vô định hình, pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm (DSSC), pin mặt trời peroxide và pin quang điện hữu cơ.
Hình 1: Pin mặt trời vô định hình AM-1456CA-DGK-E của Panasonic Energy sử dụng chất nền thủy tinh. (Nguồn ảnh: Panasonic Energy)
Các công nghệ quang điện trong nhà quan trọng cho Internet of Things
1. Pin silicon vô định hình (a-Si)
Silicon vô định hình (a-Si) là công nghệ năng lượng mặt trời màng mỏng trưởng thành với dải tần quang học xấp xỉ 1,6 eV, gần với giá trị tối ưu cho các ứng dụng chiếu sáng trong nhà. Đây là công nghệ đầu tiên được tích hợp vào các thiết bị IoT trong nhà có công suất thấp.
Do đặc tính phù hợp quang phổ của silicon vô định hình và điện áp mạch hở tương đối cao ở mức ánh sáng yếu, a-Si hoạt động tốt hơn silicon tinh thể trong điều kiện ánh sáng trong nhà thông thường. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng hiệu suất của pin mặt trời a-Si được hydro hóa dưới ánh sáng LED trong nhà có thể đạt tới 21%.
Ưu điểm chính của pin mặt trời a-Si là sử dụng nguồn plasma khí để sản xuất màng mỏng, tiết kiệm chi phí. Điều này cho phép sản xuất pin mặt trời trên chất nền linh hoạt với chi phí thấp.
Tuy nhiên, công nghệ này có một hạn chế lớn - nó đòi hỏi diện tích pin lớn hơn để tạo ra năng lượng tương đương với công nghệ mới. Ngoài ra, điện áp do từng pin a-Si tạo ra riêng lẻ tương đối thấp nên thường phải nối từng pin nối tiếp để đạt được điện áp mà các thiết bị IoT yêu cầu.
Hình 2: Pin mặt trời linh hoạt mỏng vô định hình BCS4430B6 của tập đoàn TDK, điện áp mạch hở 4,2 V. (Nguồn ảnh: TDK Corporation)
2. Pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm (DSSC)
Là thiết bị quang điện thế hệ mới, nguyên lý hoạt động của DSSC tương tự như quá trình quang hợp. Thuốc nhuộm trên điện cực làm việc tạo ra các electron thông qua tính nhạy sáng, sau đó được bổ sung bởi chất điện phân thông qua các phản ứng oxy hóa khử. Thuốc nhuộm này có thể được tối ưu hóa dựa trên phổ phát xạ của các nguồn sáng trong nhà, khiến nó rất phù hợp cho các ứng dụng IoT trong nhà.
Một cách tiếp cận thiết kế khác là sử dụng các cấu trúc nano đa chiều, chẳng hạn như các cực quang tổng hợp. Cấu trúc này kết hợp các chức năng tán xạ để tăng cường khả năng thu ánh sáng và thu điện tích. Một bài báo nghiên cứu tuyên bố rằng một loại cấu trúc nano mới đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 24% trong điều kiện ánh sáng nhân tạo cực kỳ yếu là 0,014 mW/cm2.
3. Pin mặt trời Peroxide (PSC)
Một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn khác cho các ứng dụng trong nhà là PSC và nghiên cứu về vật liệu này đã bắt đầu vào năm 2015. Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã đạt được quyền kiểm soát trạng thái bẫy và động lực sóng mang trong lớp hoạt động perovskite bằng cách thiết kế một lớp vận chuyển điện tử. PSC thu được đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 27,4% trong môi trường trong nhà.
Perovskite là một loại vật liệu bán dẫn có thể được xử lý trong dung dịch. Vật liệu này có thể được điều chỉnh đến giá trị vùng cấm lý tưởng là 1,8 eV và có đặc tính quang điện cao, do đó thể hiện hiệu suất chuyển đổi quang điện tuyệt vời trong cả nguồn sáng LED và điều kiện ánh sáng huỳnh quang. Hiệu suất của các thiết bị quang điện trong nhà (IPV) perovskite đã đạt mức cao lịch sử. Một báo cáo nghiên cứu năm 2025 cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng ở mức 1000 lux là 42%, cao kỷ lục từ trước đến nay.
4. Tế bào quang điện hữu cơ (OPV)
Công nghệ quang điện hữu cơ (OPV) sử dụng các phân tử gốc carbon làm chất bán dẫn để hấp thụ ánh sáng và tạo ra điện. Thông qua thiết kế phân tử, chất bán dẫn hữu cơ có thể được tùy chỉnh để có đặc tính quang phổ khả kiến mạnh mẽ. OPV trong nhà được tối ưu hóa thể hiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng gần 30% trong điều kiện ánh sáng yếu, có thể so sánh với các tế bào DSSC hoặc peroxide tốt nhất.
Những đặc điểm này làm cho OPV đặc biệt phù hợp cho việc triển khai IoT rời rạc có hình dạng không đều, vì nó có thể được in thành màng mỏng dẻo trên các chất nền như nhựa PET. Một số công ty thậm chí còn sản xuất các tấm pin mặt trời trong nhà linh hoạt có thể uốn cong hoặc thích ứng với nhiều hình dạng khác nhau. Đối với các nhà thiết kế IoT, điều này có nghĩa là pin mặt trời có thể dễ dàng tích hợp vào các thiết bị, chẳng hạn như màng mỏng trên bề mặt cảm biến hoặc màng năng lượng kiểu nhãn dán.