सौर सेल इनडोर IoT उपकरणों की विश्वसनीयता कैसे सुधार सकते हैं?

स्मार्ट बिल्डिंग सेंसर से लेकर एसेट ट्रैकर तक, कई इनडोर IoT डिवाइस अभी भी अपने सरल डिज़ाइन के कारण बिजली के लिए डिस्पोजेबल बैटरी पर निर्भर हैं। हालाँकि, यह निर्भरता कुछ चुनौतियाँ लाती है, जिनमें सीमित जीवनकाल, रखरखाव लागत, परिचालन डाउनटाइम और पर्यावरणीय मुद्दे शामिल हैं। ये कारक संयुक्त रूप से IoT उपकरणों की विश्वसनीयता को सीधे प्रभावित करते हैं।

इसके अलावा, बार-बार बैटरी बदलना समय लेने वाला और अप्रभावी दोनों है। यह इंटरनेट ऑफ थिंग्स के "स्वायत्त और उपकरण हमेशा ऑनलाइन" होने के दृष्टिकोण के विपरीत है। इसलिए, विश्वसनीयता में सुधार, रखरखाव लागत को कम करने और बड़े पैमाने पर तैनाती को बढ़ावा देने के लिए इनडोर IoT नोड्स को पावर देने के लिए नए तरीकों को अपनाना आवश्यक है।

ट्रांसफॉर्मा इनसाइट्स की एक रिपोर्ट के अनुसार, उम्मीद है कि IoT उपकरणों की वृद्धि से 2030 तक ऊर्जा की मांग 34 टेरावाट घंटे बढ़ जाएगी। इसलिए, इस चुनौती को संबोधित करने की कुंजी निरंतर बिजली आपूर्ति के लिए इनडोर सौर कोशिकाओं का उपयोग करना, टिकाऊ सामग्रियों का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनिक कचरे को कम करना और बैटरी के उपयोग से बचना, और कंप्यूटिंग और डेटा संचारण के लिए ऊर्जा खपत लागत को यथासंभव कम करना है।

हाल के वर्षों में, इनडोर वातावरण के लिए तैयार की गई फोटोवोल्टिक तकनीक ने सामग्रियों और संरचनाओं में महत्वपूर्ण प्रगति की है। क्रिस्टलीय सिलिकॉन बाहरी सौर पैनलों के लिए मानक सक्रिय सामग्री है, जिसका बैंडगैप 1.12 eV है। हालाँकि, चूंकि विशिष्ट इनडोर प्रकाश स्रोत केवल दृश्यमान सीमा में प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, इसलिए इष्टतम बैंडगैप 1.9-2.0 eV हो जाता है।

इसलिए, क्रिस्टलीय सिलिकॉन का इनडोर प्रकाश व्यवस्था की स्थिति में खराब प्रदर्शन होता है। इस समस्या के समाधान के लिए, उद्योग ने प्रकाश संचयन तकनीक का उपयोग करके इनडोर विकल्प विकसित किए हैं, जिनमें अनाकार सिलिकॉन, डाई-सेंसिटाइज़्ड सौर सेल (डीएसएससी), पेरोक्साइड सौर सेल और कार्बनिक फोटोवोल्टिक सेल शामिल हैं।

चित्र 1: पैनासोनिक एनर्जी का AM-1456CA-DGK-E अनाकार सौर सेल एक ग्लास सब्सट्रेट का उपयोग करता है। (छवि स्रोत: पैनासोनिक एनर्जी)

इंटरनेट ऑफ थिंग्स के लिए प्रमुख इनडोर फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकियां
1. अनाकार सिलिकॉन (ए-सी) बैटरी

अनाकार सिलिकॉन (ए-सी) लगभग 1.6 ईवी के ऑप्टिकल बैंडगैप के साथ एक परिपक्व पतली-फिल्म सौर तकनीक है, जो इनडोर प्रकाश अनुप्रयोगों के लिए इष्टतम मूल्य के करीब है। यह कम-शक्ति वाले इनडोर IoT उपकरणों में शामिल होने वाली पहली तकनीक है।

अनाकार सिलिकॉन की वर्णक्रमीय मिलान विशेषताओं और कम रोशनी के स्तर पर इसके अपेक्षाकृत उच्च खुले सर्किट वोल्टेज के कारण, ए-सी सामान्य इनडोर प्रकाश व्यवस्था की स्थिति में क्रिस्टलीय सिलिकॉन से बेहतर प्रदर्शन करता है। परीक्षणों से पता चला है कि एलईडी इनडोर प्रकाश व्यवस्था के तहत हाइड्रोजनीकृत ए-सी सौर कोशिकाओं की दक्षता 21% तक पहुंच सकती है।

ए-सी सौर कोशिकाओं का मुख्य लाभ पतली फिल्मों के निर्माण के लिए गैसीय प्लाज्मा स्रोतों का उपयोग है, जो लागत प्रभावी है। यह कम लागत वाले लचीले सब्सट्रेट्स पर सौर कोशिकाओं के निर्माण को सक्षम बनाता है।

हालाँकि, इस तकनीक की एक बड़ी सीमा है - नई तकनीक के समान बिजली उत्पन्न करने के लिए इसे बड़े बैटरी क्षेत्र की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, प्रत्येक ए-सी बैटरी द्वारा व्यक्तिगत रूप से उत्पन्न वोल्टेज अपेक्षाकृत कम होता है, इसलिए आईओटी उपकरणों द्वारा आवश्यक वोल्टेज प्राप्त करने के लिए आमतौर पर प्रत्येक बैटरी को श्रृंखला में कनेक्ट करना आवश्यक होता है।

चित्र 2: टीडीके कॉर्पोरेशन से बीसीएस4430बी6 अनाकार पतला लचीला सौर सेल, 4.2 वी के ओपन सर्किट वोल्टेज के साथ। (छवि स्रोत: टीडीके कॉर्पोरेशन)

2. डाई सेंसिटाइज़्ड सौर सेल (डीएसएससी)

नई पीढ़ी के फोटोवोल्टिक उपकरण के रूप में, डीएसएससी का कार्य सिद्धांत प्रकाश संश्लेषण के समान है। कार्यशील इलेक्ट्रोड पर डाई प्रकाश संवेदनशीलता के माध्यम से इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करती है, जिसे फिर रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के माध्यम से इलेक्ट्रोलाइट द्वारा फिर से भर दिया जाता है। इस डाई को इनडोर प्रकाश स्रोतों के उत्सर्जन स्पेक्ट्रम के आधार पर अनुकूलित किया जा सकता है, जो इसे इनडोर IoT अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक उपयुक्त बनाता है।

एक अलग डिज़ाइन दृष्टिकोण बहुआयामी नैनोस्ट्रक्चर का उपयोग करना है, जैसे कि मिश्रित फोटोएनोड। यह संरचना प्रकाश कैप्चर और चार्ज संग्रह क्षमताओं को बढ़ाने के लिए बिखरने के कार्यों को जोड़ती है। एक शोध पत्र में दावा किया गया है कि एक नए प्रकार के नैनोस्ट्रक्चर ने 0.014 मेगावाट/सेमी2 की बेहद कमजोर कृत्रिम प्रकाश स्थितियों के तहत 24% की बिजली रूपांतरण दक्षता हासिल की है।

3. पेरोक्साइड सौर सेल (पीएससी)

इनडोर अनुप्रयोगों के लिए एक और आशाजनक विकल्प पीएससी है, और इस सामग्री पर शोध 2015 में शुरू हुआ। इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक इलेक्ट्रॉन परिवहन परत को डिजाइन करके पेरोव्स्काइट सक्रिय परत में जाल राज्यों और वाहक गतिशीलता पर नियंत्रण हासिल किया। परिणामी पीएससी ने इनडोर वातावरण में 27.4% की बिजली रूपांतरण दक्षता हासिल की।

पेरोव्स्काइट एक प्रकार का अर्धचालक पदार्थ है जिसे घोल में संसाधित किया जा सकता है। इस सामग्री को 1.8 ईवी के आदर्श बैंडगैप मान पर समायोजित किया जा सकता है और इसमें उच्च फोटोवोल्टिक विशेषताएं हैं, इस प्रकार एलईडी प्रकाश स्रोतों और फ्लोरोसेंट प्रकाश व्यवस्था दोनों स्थितियों के तहत उत्कृष्ट फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण दक्षता प्रदर्शित होती है। पेरोव्स्काइट इनडोर फोटोवोल्टिक (आईपीवी) उपकरणों की दक्षता ऐतिहासिक ऊंचाई पर पहुंच गई है। 2025 में एक शोध रिपोर्ट से पता चला कि 1000 लक्स पर बिजली रूपांतरण दक्षता 42% थी, जो अब तक का उच्चतम रिकॉर्ड है।

4. कार्बनिक फोटोवोल्टिक सेल (ओपीवी)

ऑर्गेनिक फोटोवोल्टिक तकनीक (ओपीवी) प्रकाश को अवशोषित करने और बिजली उत्पन्न करने के लिए अर्धचालक के रूप में कार्बन आधारित अणुओं का उपयोग करती है। आणविक डिजाइन के माध्यम से, कार्बनिक अर्धचालकों को मजबूत दृश्यमान स्पेक्ट्रम विशिष्टता के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। अनुकूलित इनडोर ओपीवी कम रोशनी की स्थिति में लगभग 30% की बिजली रूपांतरण दक्षता प्रदर्शित करता है, जो कि सर्वोत्तम डीएसएससी या पेरोक्साइड कोशिकाओं के बराबर है।

ये विशेषताएँ ओपीवी को अनियमित आकार के अलग-अलग IoT परिनियोजन के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाती हैं, क्योंकि इसे पीईटी प्लास्टिक जैसे सब्सट्रेट्स पर पतली लचीली फिल्मों में मुद्रित किया जा सकता है। कुछ कंपनियाँ लचीली इनडोर सोलर फ़ॉइल भी बनाती हैं जो विभिन्न आकृतियों में मुड़ सकती हैं या उनके अनुकूल हो सकती हैं। IoT डिजाइनरों के लिए, इसका मतलब है कि सौर कोशिकाओं को आसानी से उपकरणों में एकीकृत किया जा सकता है, जैसे सेंसर सतहों पर पतली फिल्में या स्टिकर शैली की पावर फिल्में।