室内光伏正在成为新增长热点

当前，全球能源结构向多元化、清洁化、低碳化方向转型是不可逆转的趋势，各国政府积极鼓励企业发展太阳能光伏行业。根据中国光伏行业协会的预测，2023年全球新增光伏装机量为280-330吉瓦，2025年全球新增光伏装机量为324-386吉瓦。

在室外光伏发展如火如荼的同时，室内光伏（IPV， indoor photovoltaics ）也正在引起关注。将太阳能电池放在室内听起来似乎有些违和，但事实上室内正有大量的光能被浪费掉。近些年已经有很多研究团队推出了可用于室内的太阳能电池，主要用于支持室内物联网设备。

通过物联网可以实现电子设备的互联和基于这种连接的智能信息处理。由于这些系统大多在室内运用，一个稳定的、连续的室内能源是必不可少的。室内光伏展示了为此类物联网提供能量的潜力，它不仅提供了一个可持续发展的方案，也能有效地规避恶劣的户外环境条件如高温、天气变化和太阳辐照强度不均以及人为的和自然灾害等。随着物联网互联的设备所需的功率逐渐减少，可由室内光伏持续供电的节点类型和数量正在迅速增长，这为室内光伏技术创造了一个巨大的市场。

近日，纽卡斯尔大学的研究人员创造了环保、高效的光伏电池，利用环境光为物联网（IoT）设备供电。

在Marina Freitag博士的带领下，自然与环境科学学院（SNES）的研究小组创造了基于铜（II/I）电解质的染料敏化光伏电池，在1，000勒克斯（荧光灯）下实现了前所未有的38%功率转换效率和1V开路电压。这些电池无毒且环保，为周围环境中的可持续能源设定了新标准。

该研究发表在2023年4月13日刊发的《化学科学》杂志上，有可能彻底改变物联网设备的供电方式，使其更具可持续性和效率，并为医疗保健、制造和智能城市发展等行业开辟新机遇。

纽卡斯尔大学SNES首席研究员Freitag博士说：“我们的研究标志着使物联网设备更具可持续性和能源效率的重要一步。通过将创新的光伏电池与智能能源管理技术相结合，我们正在为众多新设备的实施铺平道路，这些设备将在各个行业中具有深远的应用。

该团队还引入了一种开创性的能源管理技术，采用长短期记忆（LSTM）人工神经网络来预测不断变化的部署环境，并相应地调整物联网传感器的计算负载。这种动态能量管理系统使能量收集电路能够以最佳效率运行，从而最大限度地减少功率损耗或掉电。

这项突破性的研究展示了人工智能和环境光作为电源的协同作用如何实现下一代物联网设备。由高效环境光伏电池供电的节能物联网传感器可以根据 LSTM 预测动态调整其能源使用情况，从而显著节省能源并降低网络通信要求。

新兴技术的许多应用旨在最大化潜在利益，而它们本身对环境可持续性的影响往往被忽视。人工智能和物联网 （IoT） 已成为推动创新、资源效率和人际互动的关键技术。然而，到2030年，这些设备本身将使全球能源需求增加34太瓦时（TWh）。因此，至关重要的是

传统的物联网设备依赖于不可持续的电池供电，只能提供有限的电力，需要经常更换，因此在部署和规模方面受到限制。而利用周围的环境光作为电源标志着物联网设计的范式转变，这些设备自主运行，不需要精心维护，如图 1 所示。能源自主物联网可以部署在以前由于维护成本而不可行的地方和数量。描述了这种新型物联网设备的三个主要部署场景，包括其照明配置文件：工厂、办公室（或零售）空间和家庭。智能物联网设备利用设备上的机器学习算法来预测其（不断变化的）环境中的能源可用性，并自适应地执行计算工作负载：家庭可以在建筑物周围安装开窗传感器并传达状态变化。在办公室，可以监测空气质量并检测人类的存在。工厂可以实施监控传感器，用于某些流程的库存跟踪或质量管理审核。

随着物联网生态系统中使用的低功耗无线协议的出现，包括RFID标签、、无源Wi-Fi，低功耗蓝牙、ANT和Zigbee，通过室内光伏收集室内光为此类物联网设备供电成为可能。

2022年12月7日的《Science Advances》上，中科院北京分子科学国家实验室Ding-jiang Xu等人报告了硒Se用于IPV的独特优势：适用于宽带隙（~1.9eV），使室内S-Q限值达到55%以上，吸收系数达到105cm−1以上） 低结晶温度（121°C）、组成简单、在IPV中少量使用时无毒，以及固有的环境稳定性。通过Te的使用不仅在Se和TiO2层之间提供了桥键，还钝化了非键合Se/TiO2界面处的陷阱态。结果表明，Se电池在1000勒克斯室内照明下的PCE为15.1%，在没有封装的情况下连续室内照明1000小时后，性能没有下降。进一步制造Se组件（6.75 cm2），在1000光照度的室内照明下产生232.6 μW的输出功率，为基于射频识别（RFID）的定位标签的典型物联网无线设备供电。

室内人造光通常是根据人眼的灵敏度设计的，这意味着常用室内光源的发射光谱应主要在400至700nm的可见区域内，这比标准太阳光谱（AM1.5G）窄。因此，IPV的设计原理应与传统户外光伏的设计原理不同。比较了标准太阳辐照度和室内照明下的S-Q限制，与标准太阳辐照度的最佳带隙1.3至1.5 eV相比，室内光源的最佳带隙为1.8至1.9 eV，LED和FL的最大S-Q限值分别为56%和57%。与标准太阳光谱下相比，室内光源的发射光谱较窄，因而获得较高S-Q限值。

研究团队重温了世界上最古老的硒光伏材料，源于其独特的优势：适合室内光采集的宽带隙，高吸收系数，低温薄膜工艺，成分简单，IPV中应用量无毒，固有环境稳定性。通过优化Te层的覆盖率，在1000勒克斯室内照明下实现了15.1%的Se电池的PCE，超过了目前IPV行业标准的a-Si电池，室内效率低于10%。未封装的硒器件在1000勒克斯的室内连续照明1000小时后没有表现出性能下降。进一步制造了硒组件电池（3×2.25cm2），在 1000 lux室内照明下产生 232.6 μW 输出功率。这项研究证明了硒在IPV和物联网方面的巨大潜力。

通常在家庭、商店、办公室和其他建筑物中，室内照度在100-500 lux之间，比起炙热阳光大约每平方公尺110,000 lux的照度，显然不足，若采用一般的硅体晶太阳能板，恐怕无法获得任何的电能。

来自意大利罗马第二大学（University of Rome Tor Vergata）、德国佛劳恩霍夫研究所（Fraunhofer）和哥伦比亚Surcolombiana大学研究团队于2020年研发出了新的太阳光电技术，就是钙钛矿太阳能电池。

钙钛矿成本较低，且能够沉积在超薄、可弯曲的的玻璃基板上。借此特性，研究人员得以制造出可弯曲的太阳能板，最终装置在曲面的外墙、屋顶，乃至衣服、汽车上。

在照明测试中，于LED 200 lux的照明下，电池效率为20.6%，于LED 400 lux照明下效率为22.6%。研究小组表示，新型钙钛矿在室内的转换效率已经十分逼近硅体晶太阳能在一般阳光下的效率。相较之下，以前的室内太阳能电池效率仅有10%。

此外，在所有的室内太阳能技术当中，新型钙钛矿电池不仅效率最高，且耐受弯折，可弯曲次数达1,600次，弯曲率约为20.5毫米。

研究团队也表示，新型钙钛矿电池的功率密度较低，在200 lux以下的照度时，每平方公分的功率为16.7微瓦，在400 lux照度时则升至35微瓦。此类太阳能板因此较适合用在不耗电的产品设备上，像是小型感测器或是物联网（IoT）设备。

2022年10月17日，暨南大学新能源技术研究院教授麦耀华团队获得了独立第三方认证超过36%的大面积钙钛矿室内光伏组件转换效率，相关研究结果发表于《ADVANCED SCIENCE》。

近几年，以钙钛矿材料为光吸收层的太阳电池技术受到广泛关注。使用光伏电池实现室内弱光能量采集，可以广泛应用于工业物联网、智能家居和智能出行等领域，但其需要一个较宽的光学带隙才能获得较高的转换效率。钙钛矿光吸收层的光学带隙可以在很宽的范围内调整，因而具备获得高转换效率光伏器件的可能性，目前已经有团队报道效率超过40%的室内钙钛矿光伏电池。

然而，宽带隙钙钛矿薄膜内溴（Br）含量较高，容易造成相分离现象，影响器件的性能。麦耀华团队研究了钙钛矿光伏电池的带隙与室内光伏性能之间的关系，发现除了相分离外，钙钛矿光吸收层中的Br空位缺陷也是限制电池开路电压的主要因素之一。使用富碘（I）碱金属小分子材料处理后，可有效解决Br空位问题，提升了器件在弱光下的转换效率。在1000 lux的TL84光源下，有效面积为12.30平方厘米的钙钛矿室内光伏组件获得了独立第三方认证的36.36%的转换效率，为世界已报道的钙钛矿弱光组件最高转换效率。

同时，团队研制了基于钙钛矿光伏组件的室内光能采集系统样机，实现了室内光能采集、最大功率点跟踪、电能和电池管理、环境温湿度采集、蓝牙通信和免充电等功能。此外，该团队指出，对室内光伏电池性能的准确测试和测试流程的标准化对该技术的产业化至关重要。

2023年2月，脉络能源研发的钙钛矿室内光伏电池光电转换效率在1000lux U30光源照射下达到44.72％，为当前世界最高值。

另外今年初仁烁光能的全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率达29％，打破团队去年6月创造的28％世界纪录；此外，德国柏林亥姆霍兹中心科学家声称已研发出一种钙钛矿/硅串联太阳电池，认证效率突破32.5％。

从提效端来说，单结钙钛矿理论效率33％，远高于晶硅的29.4％，长期看，叠层将进一步打开效率天花板，双结/三结理论效率高达45％/49％，产业端已有企业开始布局。

从降本端来看，预计钙钛矿极限成本可降至0.6-0.7元/W，为晶硅极限成本的60-70％。预计当钙钛矿达到效率18％、寿命15年时LCOE即可基本打平晶硅，大规模量产将开始具备商业化条件。远期钙钛矿效率达到25％，寿命15年时LCOE将降至0.24元/W左右，较晶硅更优。

小结

近几年来，低功耗消费电子产品、智能居家、家庭自动化和物联网的开发如火如荼的展开。这些创新皆需要高效率且易于整合的能量收集装置，来获得电能和动力。在未来的几十年中，预期将有数十亿个类似的感测器安装于室内环境中。友绿智库认为，随着室内光伏技术飞速发展，不久的将来或许家里的物联网设备都将配备光伏电池，从而摆脱过去诸多杂乱线缆带来的烦恼。