¿Cómo pueden las células solares mejorar la confiabilidad de los dispositivos IoT para interiores?

Muchos dispositivos IoT para interiores, desde sensores de edificios inteligentes hasta rastreadores de activos, todavía dependen de baterías desechables porque son fáciles de diseñar. Sin embargo, esta dependencia presenta varios desafíos, incluida una vida útil finita, gastos generales de mantenimiento, tiempo de inactividad operativa y preocupaciones ambientales. Juntos, estos factores afectan directamente la confiabilidad de los dispositivos IoT.

Además, la sustitución frecuente de las baterías requiere mucho tiempo y es ineficiente. Esto es contraproducente para la visión de IoT de dispositivos autónomos y siempre activos. Por lo tanto, es necesario un nuevo enfoque para alimentar los nodos de IoT en interiores para mejorar la confiabilidad, minimizar los costos de mantenimiento y facilitar la implementación a gran escala.

Según un informe de Transforma Insights, se espera que el crecimiento de los dispositivos IoT aumente la demanda de energía en 34 teravatios-hora para 2030. Por lo tanto, es crucial utilizar células solares de interior para un suministro de energía continuo, reducir los residuos electrónicos mediante el uso de materiales sostenibles y evitar las baterías, y minimizar el costo energético de la computación y la transferencia de datos.

En los últimos años se han producido avances tecnológicos masivos en los materiales y la arquitectura de las tecnologías fotovoltaicas adaptadas a los ambientes interiores. El silicio cristalino, un material activo estándar para paneles solares al aire libre, tiene una banda prohibida de 1.12 eV. Sin embargo, dado que las fuentes de luz interiores típicas emiten solo en el rango visible, la banda prohibida óptima cambia a 1.9 a 2.0 eV.

Como resultado, el silicio cristalino funciona mal en condiciones de iluminación interior. Para abordar esto, la industria ha desarrollado alternativas con tecnologías de recolección de luz para uso en interiores, que incluyen silicio amorfo, células solares sensibilizadas por colorante (DSSC), células solares de perovskita y células fotovoltaicas orgánicas.

Figura 1: Célula solar amorfa AM-1456CA-DGK-E de Panasonic Energy con sustrato de tipo vidrio. (Fuente de la imagen: Panasonic Energy)

Tecnologías fotovoltaicas de interior clave para IoT

1. Células de silicio amorfo (a-Si)

El silicio amorfo (a-Si) es una tecnología solar de película delgada bien establecida con una banda prohibida óptica de aproximadamente 1.6 eV, que está más cerca del valor óptimo para aplicaciones de iluminación interior. Fue la primera tecnología incorporada en dispositivos IoT interiores de baja potencia.

Debido a su coincidencia espectral y a su voltaje de circuito abierto relativamente alto a bajos niveles de luz, el a-Si supera al silicio cristalino bajo la iluminación típica de la habitación. Las pruebas muestran que las células solares de a-Si hidrogenadas pueden alcanzar hasta un 21% de eficiencia bajo iluminación interior LED.

Una ventaja clave de las células solares basadas en a-Si es su fabricación rentable de película delgada utilizando fuentes de plasma gaseoso. Esto permite que las células solares se fabriquen en sustratos flexibles de bajo costo.

Sin embargo, una limitación significativa de esta tecnología es que requiere un área de célula más grande para generar la misma energía que las tecnologías más nuevas. Además, cada célula de a-Si produce individualmente un voltaje relativamente bajo, por lo que las células a menudo se conectan en serie para alcanzar el voltaje requerido para los dispositivos IoT.

Figura 2: Célula solar delgada y flexible BCS4430B6 amorfa de TDK Corporation con voltaje de circuito abierto de 4.2 V. (Fuente de la imagen: TDK Corporation)

2. Células solares sensibilizadas por colorante (DSSC)

Como una nueva generación de dispositivos fotovoltaicos, las DSSC funcionan de manera similar a la fotosíntesis con fotosensibilización del tinte en el electrodo de trabajo que genera electrones antes de ser repuestos por un electrolito a través de una reacción redox. El tinte se puede optimizar para que coincida con el espectro de emisión de las fuentes de luz interiores, lo que lo convierte en una buena combinación para aplicaciones de IoT en interiores.

Un enfoque diferente para diseñar esto es a través de nanoarquitecturas multidimensionales, como los fotoánodos compuestos que combinan características de dispersión para mejorar la captura de luz y la recolección de carga. Un artículo de investigación afirma una eficiencia de conversión de energía del 24% bajo luz artificial extremadamente baja de 0.014 mW/cm² utilizando una nanoestructura novedosa.

3. Células solares de perovskita (PSC)

Otra alternativa prometedora para aplicaciones en interiores son las PSC, que se investigaron por primera vez en 2015. En este estudio, los investigadores controlaron las trampas en la capa activa de perovskita y la dinámica del portador mediante el diseño de una capa de transferencia de electrones. El PSC resultante logró una eficiencia de conversión de energía del 27.4% en ambientes interiores.

Las perovskitas son una familia de materiales semiconductores procesables en solución que se pueden ajustar para tener brechas de banda ideales de 1.8 eV y alto fotovoltaje, lo que los hace altamente eficientes bajo iluminación LED y fluorescente. Los dispositivos fotovoltaicos de interior (IPV) de perovskita han logrado eficiencias récord. Un estudio de 2025 informó una eficiencia de conversión de energía del 42% a 1,000 lux, que se encuentra entre las más altas jamás registradas.

4. Células fotovoltaicas orgánicas (OPV)

La energía fotovoltaica orgánica (OPV) utiliza moléculas a base de carbono como semiconductores para absorber la luz y generar energía. Mediante el diseño molecular, los semiconductores orgánicos se pueden adaptar para apuntar fuertemente al espectro visible. Las OPV optimizadas para interiores han demostrado una eficiencia de conversión de energía cercana al 30% con poca iluminación, lo que es comparable a las mejores células DSSC o de perovskita.

Estas características hacen que OPV sea particularmente adecuado para implementaciones discretas de IoT en factores de forma irregulares, ya que se puede imprimir como una película delgada y flexible en sustratos como el plástico PET. Las empresas incluso han producido láminas solares flexibles para interiores que pueden doblarse o adaptarse a varias formas. Para los diseñadores de IoT, esto significa que una célula solar se puede integrar fácilmente, por ejemplo, como una película delgada en la superficie de un sensor o una película de energía similar a una pegatina dentro de un dispositivo.

Conclusión

Las células solares de interior se han convertido en una tecnología habilitadora clave para construir sistemas IoT autónomos. Al recolectar energía de la luz ambiental, estas células solares brindan una alternativa práctica a las baterías desechables, lo que permite un funcionamiento duradero y de bajo mantenimiento.

Los avances continuos en la ciencia de los materiales, particularmente con perovskitas y orgánicos, están elevando los niveles de eficiencia de conversión de energía en condiciones de poca luz, mientras que las estrategias de integración inteligente están abordando las limitaciones de estabilidad y factor de forma. El resultado es un camino claro hacia un futuro más sostenible para el entorno de IoT.