室内 IoT 应用的太阳能电池挑战

物联网（IoT）市场不断增长，从智能家居系统到工业传感器，拥有众多潜在应用。如果这一趋势持续下去，将需要安装数十亿个低功耗节点，其中许多节点位于建筑物内部。

尽管已有大量研究致力于最大限度地降低这些设备的功耗，但如何高效地为这数十亿个设备供电仍是一个关键挑战。物联网有望通过能源管理、供暖系统等方式节省1.6 P瓦时(10^12 kW)的能源消耗。然而，物联网设备也将产生自身的能源需求，使全球能源需求增加多达34T瓦时。

大多数单个传感器依赖于电池供电，但依赖一次性电池也带来挑战。例如，电池可能需要频繁更换，既浪费资源又耗时。物联网技术的理想用途往往是无人干预的空间监测和控制，而频繁更换电池则违背了这一初衷。

利用室内光伏技术为物联网应用供电

室内光伏（IPV）可能是单个传感器和节点的理想替代电源。顾名思义，室内光伏技术经过优化，可吸收室内光线。与电池相比，使用IPV具有以下优点：

- 更长的使用寿命

- 更少的人工干预

- 减少浪费

- 提高能源效率

- 更具自给自足性

如图1所示，随着物联网市场的扩大，潜在室内光伏市场规模也随之扩大，每年投入室内光伏设备的研究数量不断增加。

图1. 每年发表的与“室内光伏”关键词相关的论文数量

到2030年，室内光伏市场规模预计将超过10亿美元。这凸显了优化和开发高效室内光伏技术以降低环境和财务成本的重要性。

室内与室外光伏的设计差异

室外太阳能电池总是在标准化太阳光谱（AM 1.5G光谱）下进行测试，辐照度为1000W/m²。在这种条件下测试设备通常可以很好地反映太阳能电池在阳光下的工作情况。

然而，室内光线要复杂得多。室内光线有多种类型（如暖色LED、冷色LED、荧光灯等），但它们的共同点是主要分布在可见光区域，这与阳光不同。

这导致了设计室内和室外用太阳能电池板时的一个根本差异——它们具有不同的理想带隙。

对于太阳能电池板来说，理想带隙是指能够从入射光源中获取最多电能的带隙。简而言之：

材料的带隙越低，吸收的光就越多，因此产生的电流也就越大。

然而，材料的带隙越高，从吸收的光中产生的电压就越高。

为了实现最大功率提取，需要平衡这两个因素，因此光伏材料必须尽可能接近其理想带隙。室外太阳能电池板的理想带隙为1.34电子伏特，而室内光伏电池的带隙则高得多，为1.8-1.9电子伏特。为了制造高效率的室内光伏设备，理想情况下需要选择带隙接近1.9电子伏特的材料。

此外，阳光的强度远高于大多数室内光源。太阳辐照度为1000W/m²，而室内LED白光光源的亮度可能为500勒克斯，大约相当于1.5W/m²。因此，室内光伏必须在较低的光强下表现出色。

晶体硅（C-Si）太阳能电池板适用于室内光伏吗？

晶体硅光伏是室外太阳能电池板所使用的主导光伏技术。硅的带隙为1.1-1.2电子伏特，因此从理论上讲，硅太阳能电池板可以吸收所有低于1100纳米波长的入射阳光，从而增加可用电流（见图2）。这对于室外光伏是有益的，因为太阳光谱可以延伸到红外区域。然而，其折衷之处在于，晶体硅太阳能电池板产生的电压有限。对于室外晶体硅太阳能电池板而言，这种电压损失被增加的电流所抵消，使其能够实现相当高的效率。

图2. 硅带隙与太阳光（AM 1.5）、LED光源和荧光光源的光谱分布的比较

然而，室内光源的光谱分布不会延伸到非可见光区域，没有必要这样做。因此，如果使用晶体硅来制造室内光伏电池，由于吸收或电流没有增加，产生的电压会更小。这会导致设备效率降低。图3展示了室内光伏应用的理想带隙。

图3. 室内光伏的理想带隙，以及太阳光（AM 1.5G）、LED光源和荧光光源的光谱分布。

晶体硅光伏的另一个问题是，在低光强下性能不佳。在高光强下（如1000W/m² = 1个太阳），任何影响设备性能的缺陷（如光陷阱等）都会被大量的入射光所掩盖。在低光强下，损失机制更为显著，设备短路现象更为常见。商用晶体硅太阳能电池板在高光强下的效率为15%，而在低光强（700勒克斯）下则降至5%。

最后，为了提高效率，硅太阳能电池板必须做得厚、硬且重，这限制了它们在物联网应用中的使用。这些局限性表明，对于室内环境而言，硅太阳能电池板的替代方案可能更为合适。

其他适用于室内光伏应用的光伏技术

第三代光伏技术，如有机太阳能电池（OSC）或钙钛矿太阳能电池（PSC），是室内光伏的有前途候选者。

一些主要优点包括：

- 可调带隙：通过改变钙钛矿材料的组成或使用的有机材料类型，可以调整带隙以匹配室内光源，从而提高效率。

- 可溶液处理：OSC和PSC主要通过溶液处理制造。虽然一些对空气敏感的组件需要在受控环境（如手套箱）中进行沉积，但这一过程仍然比晶体硅太阳能电池板的生产所需的能源和资源少得多。

- 轻薄柔性的设备：更简单的处理方法和薄的活性层意味着可以在各种基材上沉积有机光伏电池和钙钛矿太阳能电池，包括用于柔性设备的聚合物基材或弯曲表面。

- 较低的制造成本——溶液处理方法还可以降低制造成本，这对于物联网节点的可负担性至关重要。

在低光强下，PSC和OSC都表现出色。钙钛矿材料具有较低的缺陷容差，因此它们不会像晶体硅光伏那样容易受到损失机制的影响。例如，PSC在使用宽带隙钙钛矿的情况下，在室内光照条件下实现了45%的功率转换效率。

由于OSC器件具有较高的并联电阻，因此在低光强下也表现优异。PM6:Y6有机光伏混合太阳能电池在LED照明下实现了约32%的功率转换效率。

尽管具有潜力，但OSC和PSC在稳定性方面都面临挑战，因为它们容易受到热、湿气和氧气等环境因素的降解。惰性处理和适当的封装可以缓解这些问题，但要实现大规模生产，还需要进一步的改进。

室内光伏测试标准化

室内光伏开发面临的主要挑战之一是缺乏标准化测试。这主要是因为室内照明的光谱分布和强度差异很大。

如前所述，AM 1.5G光谱是明确定义的，并且已经创建了太阳模拟器来紧密匹配这一光谱。事实上，关于测试室外太阳能电池应使用的确切光源，已经有许多标准（如ASTM E927-19、IEC 60904-9:2020、JIS C 8904-9等）。

2023年，国际电工委员会（IEC）引入了技术规范62607-7-2，其中概述了在室内光线下测试太阳能电池板的方法，但它并没有严格定义光谱分布。

测试室内光伏的复杂性还在于，室内光线是根据亮度来测量的，这考虑了人眼如何感知光线，而室外测试则使用照度，它测量的是给定区域上的光功率。这一差异使得难以建立一致的测试协议。

引入一些标准是朝着正确方向迈出的一步，但需要更多的工作来制定精确的室内光伏测试和性能评估标准。建立这样的标准对于确保整个行业室内光伏技术的一致性和可靠性至关重要。

EETOP编译整理

原文：

https://www.allaboutcircuits.com/industry-articles/solar-cell-challenges-for-indoor-iot-applications

（名额有限 先报先得）