Wearable hiện phải mang theo pin: Solar cell mới muốn sống chỉ bằng ánh sáng trong phòng

Một chiếc smartwatch có thể theo dõi nhịp tim cả ngày, nhưng cuối cùng vẫn phải quay về bộ sạc. Cảm biến y tế dán trên da còn khó hơn: nếu muốn nhỏ, mềm và đeo liên tục, viên pin thường trở thành một trong những thành phần cứng, dày và có tuổi thọ hữu hạn nhất.

Một hướng nghiên cứu đang cố loại bớt gánh nặng đó bằng nguồn sáng vốn đã tồn tại quanh người dùng. Không phải ánh nắng ngoài trời, mà là đèn LED trong văn phòng, bệnh viện và nhà ở.

Một thiết bị organic photovoltaic được nhóm tại Dongguk University và Korea University phát triển đạt hiệu suất chuyển đổi 28,6% dưới đèn LED 2700 K ở mức 1.000 lux. Điểm đặc biệt là cùng kiến trúc đó còn có thể hoạt động như một photodetector tự cấp nguồn, tạo ra một linh kiện vừa thu năng lượng vừa cảm nhận ánh sáng. Paper được đăng trên Advanced Materials trong số tháng 1/2026.

Đây chưa phải một chiếc wearable hoàn chỉnh sống vĩnh viễn dưới đèn trần. Nhưng nó cho thấy lý do indoor photovoltaics đang được xem nghiêm túc hơn: nhiều thiết bị cảm biến hiện đại tiêu thụ điện đủ thấp để vài centimet vuông vật liệu quang điện có thể bù một phần đáng kể nhu cầu năng lượng — đặc biệt nếu electronics chỉ đo và truyền dữ liệu theo từng khoảng ngắn.

Ánh sáng trong phòng yếu hơn mặt trời rất nhiều, nhưng wearable cũng không cần công suất của điện thoại

Dưới nắng chuẩn, solar cell được thử ở khoảng 1.000 W/m². Ánh sáng trong nhà thấp hơn nhiều. Một consensus statement trên Nature Energy năm 2026 cho biết indoor irradiance thường vào khoảng 15–330 µW/cm², trong khi ánh nắng nằm ở cỡ 10.000–100.000 µW/cm².

Nói cách khác, không có chuyện một tấm pin nhỏ trên cổ tay dưới đèn văn phòng tạo ra công suất tương đương ngoài trời. Nhưng bài toán wearable lại khác smartphone. Nhiều cảm biến nhiệt độ, humidity, BLE beacon hoặc biosensor có thể ngủ phần lớn thời gian rồi thức dậy trong vài mili-giây để đo và truyền dữ liệu. Công suất trung bình vì thế có thể xuống vùng microwatt hoặc thấp-milliwatt.

Nếu nguồn quang điện liên tục nạp một capacitor hoặc pin nhỏ trong lúc thiết bị ngủ, nó không cần cung cấp peak power ở mọi thời điểm. Hệ thống chỉ cần cân bằng ngân sách năng lượng theo thời gian: thu được bao nhiêu dưới ánh sáng thực tế, mất bao nhiêu cho sensing, processing và wireless transmission.

Đó là lý do câu hỏi quan trọng không phải “solar cell có chạy được smartwatch không?”, mà là “nó có tạo đủ năng lượng trung bình cho workload cụ thể hay không?”.

Tại sao solar cell trong nhà có thể đạt hiệu suất cao hơn dưới nắng?

Một con số như 28,6% dưới đèn LED dễ gây cảm giác nghịch lý: tại sao cell trong phòng, nơi ánh sáng yếu hơn rất nhiều, lại có thể có PCE ngang hoặc cao hơn nhiều solar cell ngoài trời?

Lý do nằm ở phổ ánh sáng. Mặt trời phát năng lượng trên dải bước sóng rất rộng. Một single-junction solar cell không thể biến toàn bộ phổ đó thành điện với hiệu quả như nhau: photon quá thấp năng lượng không được hấp thụ, photon quá cao năng lượng lại mất phần dư thành nhiệt.

LED trong nhà có phổ hẹp hơn và tập trung nhiều năng lượng vào vùng nhìn thấy. Nếu bandgap của semiconductor được thiết kế phù hợp với phổ này, cell có thể chuyển tỷ lệ lớn hơn phần năng lượng tới thành điện. Theo consensus Nature Energy, giới hạn lý thuyết cho indoor photovoltaic dưới một số nguồn sáng hẹp có thể vượt 50%, trong khi giới hạn Shockley–Queisser quen thuộc cho single-junction dưới phổ mặt trời vào khoảng một phần ba.

Nhưng PCE cao không đồng nghĩa công suất cao. Một cell biến 30% của nguồn sáng rất yếu vẫn có thể tạo ít điện hơn rất nhiều so với cell 20% đặt ngoài nắng.

BPA giải một xung đột nhỏ nhưng quan trọng ở interface

Thiết bị của Dongguk–Korea University thuộc nhóm organic photovoltaic (OPV). Các lớp organic semiconductor hấp thụ photon, tạo electron và hole rồi phải đưa hai loại carrier này tới hai electrode khác nhau trước khi chúng recombine.

Một trong những lớp mỏng nhưng quan trọng là hole transport layer (HTL). Nó phải giúp hole đi ra electrode dễ dàng trong chế độ solar cell. Nhưng nếu cùng device muốn làm photodetector, HTL còn phải ngăn dark current đủ tốt để tín hiệu ánh sáng yếu không bị chìm trong noise.

Hai yêu cầu này có phần đối nghịch. Một interface quá “mở” cho charge extraction có thể làm noise tăng trong photodetection; một lớp chặn charge tốt lại có thể cản dòng điện mà photovoltaic cần.

Nhóm nghiên cứu dùng benzene‑phosphonic acid, hay BPA, làm một self-assembled monolayer trên indium tin oxide. Phân tử chỉ gồm một benzene core và nhóm phosphonic acid để bám lên electrode. Theo paper, cấu trúc tối giản này giúp căn chỉnh mức năng lượng và tạo interface đồng đều, đồng thời hạn chế leakage trong photodetector mode.

Kết quả là cùng device đạt 28,6% PCE dưới LED 2700 K ở 1.000 lux. Khi tăng diện tích khoảng 220 lần lên 1 cm², thiết bị vẫn giữ khoảng 93% hiệu suất ban đầu. Ở chế độ photodetector không cần bias ngoài, nhóm báo cáo noise-equivalent power 584 fW tại 730 nm và bandwidth 1 Hz.

Điểm đáng chú ý với wearable không phải chỉ là một kỷ lục PCE. Organic semiconductor có lợi thế về độ mỏng, tính linh hoạt và khả năng xử lý dung dịch, nên dễ hình dung hơn silicon cứng khi muốn tích hợp nguồn điện vào patch, dây đeo hoặc bề mặt cong.

Một wearable chạy hoàn toàn bằng ambient light không còn chỉ là giả thuyết

Khái niệm này đã có demonstration ở cấp hệ thống trước nghiên cứu BPA. Một paper trên Nature Electronics năm 2023 trình diễn một wearable biosensor dùng module perovskite mềm diện tích hoạt động 2 cm² để thu cả ánh sáng ngoài trời lẫn ánh sáng trong phòng.

Module đạt khoảng 29,6% PCE ở 600 lux LED và cấp điện cho một hệ thống đo glucose, pH, sodium ion, sweat rate và skin temperature, đồng thời truyền dữ liệu qua Bluetooth Low Energy. Nhóm vận hành thiết bị hơn 12 giờ trong các hoạt động trong nhà và ngoài trời mà không cần battery truyền thống.

Chi tiết đáng chú ý là thiết bị không cố hoạt động ở cùng tốc độ bất kể ánh sáng. Nó điều chỉnh chu kỳ đo theo năng lượng sẵn có: khoảng gửi dữ liệu có thể thay đổi từ vài giây tới khoảng một phút. Đây là cách một hệ energy-autonomous thực tế nhiều khả năng sẽ hoạt động — không phải nguồn điện vô hạn, mà là workload thích nghi với lượng năng lượng thu được.

Nghiên cứu dài hạn công bố năm 2026 trên Solar Energy Materials and Solar Cells còn theo dõi perovskite cell trong môi trường indoor thực tế suốt 2,5 năm và vận hành một hệ Bluetooth Low Energy tự cấp nguồn. Kết quả này không giải quyết hết bài toán độ bền của perovskite, nhưng nó đưa indoor PV ra khỏi những phép đo vài giờ dưới solar simulator.

1.000 lux không phải lúc nào cũng là cùng một lượng điện

Indoor photovoltaics có một vấn đề đo lường mà solar ngoài trời ít gặp hơn: lux là đại lượng được weighted theo độ nhạy của mắt người, không phải trực tiếp theo năng lượng photon. Hai bóng đèn cùng 500 lux nhưng phổ khác nhau có thể tạo công suất rất khác trên cùng solar cell.

LED 2700 K, LED 6500 K và fluorescent lamp không chỉ khác màu nhìn thấy. Chúng đặt photon ở những vùng phổ khác nhau, trong khi mỗi semiconductor có spectral response riêng.

Đây là lý do hơn 60 nhóm nghiên cứu và công ty đã cùng công bố best-practice guideline trên Nature Energy tháng 8/2026. Nhóm lưu ý việc thiếu điều kiện đo indoor thống nhất có thể tạo sai khác so sánh lên tới hàng chục phần trăm giữa các phòng lab. Họ đề xuất kiểm soát nguồn sáng, phổ, irradiance, geometry và stability test chặt hơn thay vì chỉ ghi một con số lux.

Với wearable thương mại, điều này còn khó hơn. Người dùng có thể đi từ văn phòng 700 lux sang hành lang 100 lux, che sensor bằng tay áo rồi ra ngoài trời. Power electronics phải giữ được operating point của cell và buffer năng lượng qua những khoảng tối.

Pin có thể không biến mất hoàn toàn — nhưng nó có thể nhỏ đi rất nhiều

Ngay cả một indoor solar cell tốt cũng không tạo điện khi wearable nằm dưới chăn, trong túi hoặc trong phòng tối. Các tác vụ radio còn có peak power lớn hơn mức photovoltaic tức thời có thể cung cấp.

Vì vậy kiến trúc thực tế thường vẫn cần một dạng energy storage: capacitor, supercapacitor hoặc rechargeable microbattery. Khác biệt là storage không còn phải chứa đủ năng lượng cho nhiều ngày sử dụng; nó chỉ đóng vai buffer giữa lúc có và không có ánh sáng.

Điều này có thể quan trọng hơn việc loại battery hoàn toàn. Một pin nhỏ hơn giúp wearable mỏng và nhẹ hơn, giảm số lần sạc, kéo dài lifetime và hạn chế số battery phải thay trong hàng tỷ cảm biến IoT.

Các rào cản còn lại nằm ở durability khi uốn, encapsulation chống ẩm và oxy, độc tính vật liệu đối với một số chemistry, power-management efficiency ở mức dòng rất thấp và chi phí sản xuất diện tích lớn. Device BPA mới mới chứng minh performance ở cell cỡ 1 cm², chưa phải roll-to-roll module trên dây đeo hay patch y tế.

Bước tiếp theo vì vậy không chỉ là đẩy PCE thêm vài phần trăm. Indoor solar cell phải được ghép với electronics thật, dưới ánh sáng thật, qua hàng nghìn giờ và các chu kỳ uốn của wearable. Nếu hệ vẫn cân bằng được ngân sách năng lượng, “sạc mỗi đêm” có thể dần trở thành một đặc tính không còn bắt buộc với những thiết bị nhỏ nhất.

Nguồn: Advanced Materials — Bifunctionally Driven Organic Photonic Conversion Devices Facilitated by Minimalistic Synthesis-Based Interfacial Energetic Alignment; Dongguk University — Research News; Nature Energy — Best practices for measuring the performance and stability of indoor photovoltaic devices; Nature Electronics — An autonomous wearable biosensor powered by a perovskite solar cell; Solar Energy Materials and Solar Cells — Long-term performance of perovskite solar cells in low-power indoor energy harvesting applications.