Comment les cellules solaires permettent d'améliorer la fiabilité des dispositifs IoT en intérieur

De nombreux dispositifs IoT d'intérieur, qu'il s'agisse de capteurs de bâtiments intelligents ou de dispositifs de suivi des actifs, utilisent encore des piles jetables en raison de la simplicité de conception. Toutefois, cette dépendance pose plusieurs problèmes, notamment une durée de vie limitée, des frais de maintenance, des temps d'arrêt opérationnels et des préoccupations environnementales. Combinés, ces facteurs ont un impact direct sur la fiabilité des dispositifs IoT.

Le remplacement fréquent des piles est par ailleurs chronophage et inefficace, ce qui va à l'encontre de la vision IoT, à savoir des dispositifs autonomes et toujours actifs. Par conséquent, une nouvelle approche d'alimentation des nœuds IoT en intérieur est nécessaire pour améliorer la fiabilité, minimiser les coûts de maintenance et faciliter le déploiement à grande échelle.

Selon un rapport de Transforma Insights, la croissance des dispositifs IoT devrait augmenter la demande énergétique de 34 térawattheures d'ici à 2030. Il est donc crucial d'utiliser des cellules solaires d'intérieur pour une alimentation continue, de réduire les déchets électroniques en utilisant des matériaux durables et en évitant le recours aux piles, et de minimiser les coûts énergétiques liés au calcul et au transfert de données.

Ces dernières années ont été marquées par des avancées technologiques considérables dans le domaine des matériaux et de l'architecture des technologies photovoltaïques adaptées aux environnements intérieurs. Le silicium cristallin, un matériau actif standard pour les panneaux solaires extérieurs, a une bande interdite de 1,12 eV. Toutefois, étant donné que les sources lumineuses intérieures typiques n'émettent que dans le domaine du visible, la bande interdite optimale se situe entre 1,9 et 2,0 eV.

Par conséquent, le silicium cristallin présente de faibles performances en conditions d'éclairage intérieur. Pour remédier à ce problème, l'industrie a développé des alternatives utilisant des technologies de récupération de la lumière pour une utilisation en intérieur, notamment le silicium amorphe, les cellules solaires à colorant (DSSC), les cellules solaires à pérovskite et les cellules photovoltaïques organiques.

Figure 1 : Cellule solaire amorphe AM-1456CA-DGK-E de Panasonic Energy avec substrat en verre. (Source de l'image : Panasonic Energy)

Technologies photovoltaïques d'intérieur clés pour l'IoT

1. Cellules au silicium amorphe (a-Si)

Le silicium amorphe (a-Si) est une technologie solaire à couches minces bien établie avec une bande interdite optique d'environ 1,6 eV, plus proche de la valeur optimale pour les applications d'éclairage intérieur. Il s'agit de la première technologie intégrée dans des dispositifs IoT d'intérieur basse consommation.

En raison de sa correspondance spectrale et de sa tension en circuit ouvert relativement élevée à de faibles niveaux de luminosité, le silicium amorphe est plus performant que le silicium cristallin en conditions d'éclairage intérieur typiques. Les tests montrent que les cellules solaires au silicium amorphe hydrogéné peuvent atteindre un rendement de 21 % avec un éclairage LED intérieur.

L'un des principaux avantages des cellules solaires au silicium amorphe est leur fabrication à couches minces économique utilisant des sources de plasma gazeux. Les cellules solaires peuvent ainsi être fabriquées sur des substrats flexibles peu coûteux.

Toutefois, cette technologie présente une limite importante, à savoir qu'elle requiert une plus grande surface de cellules pour générer la même puissance que les technologies plus récentes. En outre, chaque cellule a-Si produit individuellement une tension relativement faible, de sorte que les cellules sont souvent câblées en série pour atteindre la tension requise pour les dispositifs IoT.

Figure 2 : Cellule solaire amorphe mince et flexible BCS4430B6 de TDK Corporation avec une tension en circuit ouvert de 4,2 V. (Source de l'image : TDK Corporation)

2. Cellules solaires à colorant (DSSC)

Nouvelle génération de dispositifs photovoltaïques, les DSSC fonctionnent de manière similaire à la photosynthèse : la photosensibilisation d'un colorant sur l'électrode de travail génère des électrons avant la reconstitution par un électrolyte par le biais d'une réaction d'oxydoréduction. Le colorant peut être optimisé pour correspondre au spectre d'émission des sources lumineuses intérieures, ce qui en fait un bon choix pour les applications IoT en intérieur.

Une autre approche de conception consiste à utiliser des nano-architectures multidimensionnelles, telles que des photoanodes composites qui combinent des caractéristiques de diffusion pour améliorer le piégeage de la lumière et la collection des charges. Un rapport de recherche fait état d'un rendement de conversion de puissance de 24 % en conditions de lumière artificielle extrêmement faible de 0,014 mW/cm² avec une nouvelle nanostructure.

3. Cellules solaires à pérovskite (PSC)

Les PSC, dont les premières recherches remontent à 2015, constituent une autre alternative prometteuse pour les applications en intérieur. Dans cette étude, les chercheurs ont contrôlé les pièges dans la couche active de pérovskite et la dynamique des porteurs en concevant une couche de transfert d'électrons. Les PSC obtenues ont atteint un rendement de conversion de puissance de 27,4 % en environnements intérieurs.

Les pérovskites sont une famille de matériaux semi-conducteurs traitables en solution qui peuvent être réglés pour présenter des bandes interdites idéales de 1,8 eV et une phototension élevée, ce qui les rend très efficaces avec un éclairage LED et fluorescent. Les dispositifs photovoltaïques d'intérieur (IPV) au pérovskite ont atteint des rendements record. Une étude réalisée en 2025 rapporte un rendement de conversion de puissance de 42 % à 1000 lux, soit l'une des valeurs les plus élevées jamais enregistrées.

4. Cellules photovoltaïques organiques (OPV)

Les cellules photovoltaïques organiques utilisent des molécules à base de carbone comme semi-conducteurs pour absorber la lumière et produire de l'énergie. Par conception moléculaire, les semi-conducteurs organiques peuvent être adaptés pour cibler fortement le spectre visible. Des cellules photovoltaïques organiques d'intérieur optimisées ont démontré un rendement de conversion de puissance proche de 30 % sous faible éclairage, ce qui est comparable aux meilleures cellules DSSC ou à pérovskite.

Grâce à ces caractéristiques, les cellules OPV sont particulièrement adaptées aux déploiements IoT discrets dans des facteurs de forme irréguliers, car elles peuvent être imprimées sous forme de film fin et flexible sur des substrats tels que le plastique PET. Des entreprises ont même produit des feuilles solaires souples pour l'intérieur, capables de se plier ou de s'adapter à différentes formes. Pour les concepteurs IoT, cela signifie qu'une cellule solaire peut être facilement intégrée, par exemple comme film fin à la surface d'un capteur ou comme film d'alimentation de type autocollant à l'intérieur d'un dispositif.

Conclusion

Les cellules solaires d'intérieur se sont imposées comme une technologie clé pour la construction de systèmes IoT autonomes. En récupérant l'énergie de la lumière ambiante, ces cellules solaires constituent une alternative pratique aux piles jetables, permettant un fonctionnement durable avec une maintenance minimale.

Les avancées continues en science des matériaux, en particulier des pérovskites et des matériaux organiques, contribuent à augmenter les niveaux de rendement de conversion de puissance en conditions de faible luminosité, tandis que les stratégies d'intégration intelligentes répondent aux contraintes de stabilité et de facteur de forme, ouvrant la voie à un avenir plus durable pour l'environnement IoT.