室內IoT應用的太陽能電池挑戰
2024-11-04 12:43:35 EETOP物聯網（IoT）市場不斷增長，從智能家居系統到工業傳感器，擁有眾多潛在應用。如果這一趨勢持續下去，將需要安裝數十億個低功耗節點，其中許多節點位于建筑物內部。
盡管已有大量研究致力于最大限度地降低這些設備的功耗，但如何高效地為這數十億個設備供電仍是一個關鍵挑戰。物聯網有望通過能源管理、供暖系統等方式節省1.6 P瓦時(10^12 kW)的能源消耗。然而，物聯網設備也將產生自身的能源需求，使全球能源需求增加多達34T瓦時。
大多數單個傳感器依賴于電池供電，但依賴一次性電池也帶來挑戰。例如，電池可能需要頻繁更換，既浪費資源又耗時。物聯網技術的理想用途往往是無人干預的空間監測和控制，而頻繁更換電池則違背了這一初衷。
利用室內光伏技術為物聯網應用供電
室內光伏（IPV）可能是單個傳感器和節點的理想替代電源。顧名思義，室內光伏技術經過優化，可吸收室內光線。與電池相比，使用IPV具有以下優點：
- 更長的使用壽命
- 更少的人工干預
- 減少浪費
- 提高能源效率
- 更具自給自足性
如圖1所示，隨著物聯網市場的擴大，潛在室內光伏市場規模也隨之擴大，每年投入室內光伏設備的研究數量不斷增加。
圖1. 每年發表的與“室內光伏”關鍵詞相關的論文數量
到2030年，室內光伏市場規模預計將超過10億美元。這凸顯了優化和開發高效室內光伏技術以降低環境和財務成本的重要性。
室內與室外光伏的設計差異
室外太陽能電池總是在標準化太陽光譜（AM 1.5G光譜）下進行測試，輻照度為1000W/m2。在這種條件下測試設備通常可以很好地反映太陽能電池在陽光下的工作情況。
然而，室內光線要復雜得多。室內光線有多種類型（如暖色LED、冷色LED、熒光燈等），但它們的共同點是主要分布在可見光區域，這與陽光不同。
這導致了設計室內和室外用太陽能電池板時的一個根本差異——它們具有不同的理想帶隙。
對于太陽能電池板來說，理想帶隙是指能夠從入射光源中獲取最多電能的帶隙。簡而言之：
材料的帶隙越低，吸收的光就越多，因此產生的電流也就越大。
然而，材料的帶隙越高，從吸收的光中產生的電壓就越高。
為了實現最大功率提取，需要平衡這兩個因素，因此光伏材料必須盡可能接近其理想帶隙。室外太陽能電池板的理想帶隙為1.34電子伏特，而室內光伏電池的帶隙則高得多，為1.8-1.9電子伏特。為了制造高效率的室內光伏設備，理想情況下需要選擇帶隙接近1.9電子伏特的材料。
此外，陽光的強度遠高于大多數室內光源。太陽輻照度為1000W/m2，而室內LED白光光源的亮度可能為500勒克斯，大約相當于1.5W/m2。因此，室內光伏必須在較低的光強下表現出色。
晶體硅光伏是室外太陽能電池板所使用的主導光伏技術。硅的帶隙為1.1-1.2電子伏特，因此從理論上講，硅太陽能電池板可以吸收所有低于1100納米波長的入射陽光，從而增加可用電流（見圖2）。這對于室外光伏是有益的，因為太陽光譜可以延伸到紅外區域。然而，其折衷之處在于，晶體硅太陽能電池板產生的電壓有限。對于室外晶體硅太陽能電池板而言，這種電壓損失被增加的電流所抵消，使其能夠實現相當高的效率。
圖2. 硅帶隙與太陽光（AM 1.5）、LED光源和熒光光源的光譜分布的比較
然而，室內光源的光譜分布不會延伸到非可見光區域，沒有必要這樣做。因此，如果使用晶體硅來制造室內光伏電池，由于吸收或電流沒有增加，產生的電壓會更小。這會導致設備效率降低。圖3展示了室內光伏應用的理想帶隙。
圖3. 室內光伏的理想帶隙，以及太陽光（AM 1.5G）、LED光源和熒光光源的光譜分布。
晶體硅光伏的另一個問題是，在低光強下性能不佳。在高光強下（如1000W/m2 = 1個太陽），任何影響設備性能的缺陷（如光陷阱等）都會被大量的入射光所掩蓋。在低光強下，損失機制更為顯著，設備短路現象更為常見。商用晶體硅太陽能電池板在高光強下的效率為15%，而在低光強（700勒克斯）下則降至5%。
最后，為了提高效率，硅太陽能電池板必須做得厚、硬且重，這限制了它們在物聯網應用中的使用。這些局限性表明，對于室內環境而言，硅太陽能電池板的替代方案可能更為合適。
其他適用于室內光伏應用的光伏技術
第三代光伏技術，如有機太陽能電池（OSC）或鈣鈦礦太陽能電池（PSC），是室內光伏的有前途候選者。
一些主要優點包括：
- 可調帶隙：通過改變鈣鈦礦材料的組成或使用的有機材料類型，可以調整帶隙以匹配室內光源，從而提高效率。
- 可溶液處理：OSC和PSC主要通過溶液處理制造。雖然一些對空氣敏感的組件需要在受控環境（如手套箱）中進行沉積，但這一過程仍然比晶體硅太陽能電池板的生產所需的能源和資源少得多。
- 輕薄柔性的設備：更簡單的處理方法和薄的活性層意味著可以在各種基材上沉積有機光伏電池和鈣鈦礦太陽能電池，包括用于柔性設備的聚合物基材或彎曲表面。
- 較低的制造成本——溶液處理方法還可以降低制造成本，這對于物聯網節點的可負擔性至關重要。
在低光強下，PSC和OSC都表現出色。鈣鈦礦材料具有較低的缺陷容差，因此它們不會像晶體硅光伏那樣容易受到損失機制的影響。例如，PSC在使用寬帶隙鈣鈦礦的情況下，在室內光照條件下實現了45%的功率轉換效率。
由于OSC器件具有較高的并聯電阻，因此在低光強下也表現優異。PM6:Y6有機光伏混合太陽能電池在LED照明下實現了約32%的功率轉換效率。
盡管具有潛力，但OSC和PSC在穩定性方面都面臨挑戰，因為它們容易受到熱、濕氣和氧氣等環境因素的降解。惰性處理和適當的封裝可以緩解這些問題，但要實現大規模生產，還需要進一步的改進。
室內光伏測試標準化
室內光伏開發面臨的主要挑戰之一是缺乏標準化測試。這主要是因為室內照明的光譜分布和強度差異很大。
如前所述，AM 1.5G光譜是明確定義的，并且已經創建了太陽模擬器來緊密匹配這一光譜。事實上，關于測試室外太陽能電池應使用的確切光源，已經有許多標準（如ASTM E927-19、IEC 60904-9:2020、JIS C 8904-9等）。
2023年，國際電工委員會（IEC）引入了技術規范62607-7-2，其中概述了在室內光線下測試太陽能電池板的方法，但它并沒有嚴格定義光譜分布。
測試室內光伏的復雜性還在于，室內光線是根據亮度來測量的，這考慮了人眼如何感知光線，而室外測試則使用照度，它測量的是給定區域上的光功率。這一差異使得難以建立一致的測試協議。
引入一些標準是朝著正確方向邁出的一步，但需要更多的工作來制定精確的室內光伏測試和性能評估標準。建立這樣的標準對于確保整個行業室內光伏技術的一致性和可靠性至關重要。
EETOP編譯整理
