スマート ビルディング センサーから資産トラッカーに至るまで、多くの屋内 IoT デバイスは、そのシンプルな設計により、電源として依然として使い捨てバッテリーに依存しています。ただし、この依存関係により、寿命の制限、メンテナンスコスト、運用のダウンタイム、環境問題などのいくつかの課題が生じます。これらの要因の組み合わせが、IoT デバイスの信頼性に直接影響します。
さらに、バッテリーを頻繁に交換するのは時間がかかり、非効率的です。これは、「自律型でデバイスは常にオンライン」であるモノのインターネットのビジョンに反します。したがって、信頼性を向上させ、メンテナンスコストを最小限に抑え、大規模な導入を促進するために、屋内 IoT ノードに電力を供給する新しい方法を採用する必要があります。
Transforma Insights のレポートによると、IoT デバイスの成長により、2030 年までにエネルギー需要が 34 テラワット時増加すると予想されています。 したがって、この課題に対処する鍵となるのは、屋内太陽電池を利用して継続的な電力供給を行い、持続可能な素材を使用しバッテリーの使用を回避することで電子廃棄物を削減し、データのコンピューティングと送信にかかるエネルギー消費コストを可能な限り最小限に抑えることです。
近年、室内環境に合わせた太陽光発電技術は材料や構造において大きな進歩を遂げています。結晶シリコンは屋外ソーラーパネルの標準的な活性材料であり、バンドギャップは 1.12 eV です。ただし、一般的な屋内光源は可視範囲の光しか放射しないため、最適なバンドギャップは 1.9 ～ 2.0 eV になります。
したがって、結晶シリコンは屋内の照明条件下では性能が劣ります。この問題に対処するために、業界はアモルファスシリコン、色素増感太陽電池（DSSC）、過酸化物太陽電池、有機太陽電池などの集光技術を使用した屋内代替品を開発してきました。
図1：パナソニックエナジーのAM-1456CA-DGK-Eアモルファス太陽電池はガラス基板を使用しています。 （画像出典：パナソニック エナジー）
モノのインターネット向けの主要な屋内太陽光発電技術
1. アモルファスシリコン（a-Si）電池
アモルファス シリコン (a-Si) は、屋内照明用途の最適値に近い約 1.6 eV の光学バンドギャップを備えた成熟した薄膜太陽電池技術です。これは、低電力屋内 IoT デバイスに組み込まれた最初のテクノロジーです。
アモルファスシリコンのスペクトルマッチング特性と、低光レベルでの比較的高い開回路電圧により、a-Si は一般的な屋内照明条件下では結晶シリコンよりも優れた性能を発揮します。テストでは、LED 屋内照明下での水素化 a-Si 太陽電池の効率が 21% に達する可能性があることが示されています。
a-Si 太陽電池の主な利点は、ガス状プラズマ源を使用して薄膜を製造するため、費用対効果が高いことです。これにより、低コストのフレキシブル基板上での太陽電池の製造が可能になります。
ただし、この技術には大きな制限があります。新しい技術と同じ電力を生成するには、より大きなバッテリー領域が必要です。さらに、各 a-Si バッテリーが個別に生成する電圧は比較的低いため、IoT デバイスが必要とする電圧を実現するには、通常、各バッテリーを直列に接続する必要があります。
図 2: TDK Corporation の BCS4430B6 アモルファス薄型フレキシブル太陽電池、開回路電圧は 4.2 V (画像出典: TDK Corporation)
2. 色素増感太陽電池 (DSSC)
新世代の太陽光発電デバイスとして、DSSC の動作原理は光合成に似ています。作用電極上の色素は感光性によって電子を生成し、その後酸化還元反応を通じて電解質によって電子が補充されます。この色素は屋内光源の発光スペクトルに基づいて最適化できるため、屋内 IoT アプリケーションに非常に適しています。
別の設計アプローチは、複合光陽極などの多次元ナノ構造を使用することです。この構造は散乱機能を組み合わせて、光捕捉および電荷収集能力を強化します。研究論文によると、新しいタイプのナノ構造は、0.014 mW/cm2 という非常に弱い人工照明条件下で 24% の電力変換効率を達成したとのことです。
3. 過酸化物太陽電池（PSC）
屋内用途向けのもう 1 つの有望な代替材料は PSC であり、この材料に関する研究は 2015 年に始まりました。この研究では、研究者らは電子輸送層を設計することにより、ペロブスカイト活性層内のトラップ状態とキャリアダイナミクスの制御を達成しました。結果として得られた PSC は、屋内環境で 27.4% の電力変換効率を達成しました。
ペロブスカイトは、溶液中で処理できる半導体材料の一種です。この材料は理想的なバンドギャップ値1.8eVに調整可能であり、高い光起電力特性を備えているため、LED光源および蛍光灯の両方の条件下で優れた光電変換効率を示します。ペロブスカイト屋内太陽光発電 (IPV) デバイスの効率は歴史的な最高値に達しています。 2025年の研究報告では、1000ルクスでの電力変換効率が42％となり、過去最高を記録した。
4. 有機太陽電池（OPV）
有機光起電力技術 (OPV) は、炭素ベースの分子を半導体として利用して光を吸収し、電気を生成します。分子設計を通じて、有機半導体をカスタマイズして、強力な可視スペクトル特異性を持たせることができます。最適化された屋内 OPV は、低照度条件下で 30% 近くの電力変換効率を示し、最高の DSSC または過酸化物セルに匹敵します。
これらの特性により、OPV は PET プラスチックなどの基板上の薄い柔軟なフィルムに印刷できるため、不規則な形状の個別 IoT の展開に特に適しています。曲げたり、さまざまな形状に適応したりできる柔軟な屋内用ソーラーフォイルを製造している企業もあります。 IoT 設計者にとって、これは、太陽電池をセンサー表面の薄膜やステッカー スタイルのパワー フィルムなどとしてデバイスに簡単に統合できることを意味します。