近年來,低功耗消費電子產品、智能居家、家庭自動化和物聯網發展迅速。目前,數10億個連接網際網路的設備正部署在辦公室、商場、家庭、工廠的各個角落,以感應、監視並將數據傳輸到智慧型手機或遠程伺服器。
據估計,到2025年全球將安裝約750億個物聯網設備。隨著這些小型智能設備、電子產品的激增,對用電需求也隨之增加,因此需要高效率且易於整合的能量收集裝置,在獲得電能和動力的同時最大限度地利用室內豐富的光照資源。
通常,室內照度一般在100~500 lux間,比起大約每平方米11萬lux的炙熱陽光照度,普通的晶體矽太陽能板在室內可能無法獲得電能。目前,研究人員正在設計新型太陽能電池,如鈣鈦礦太陽能電池和染料敏化太陽能電池,從我們正在使用的室內燈光中收集能量,以供這些創新的室內設備供電,並減少電池的浪費。
來自義大利、德國和哥倫比亞的研究人員正在開發專門用於室內設備的柔性鈣鈦礦太陽能電池。在最近的測試中,他們的薄膜太陽能電池在200lux(典型的家庭照度)下提供了超過20%的功率轉換效率,這大約是多晶矽室內效率的3倍。
他們設想將超輕型電池集成到無線恆溫器、火警、安全攝像機和其他低功耗傳感器中,將太陽能電池與儲能設備配對時,還能減少或無需可更換電池的使用。
近年來,該團隊採用低溫工藝製造了柔性鈣鈦礦太陽能電池。新型鈣鈦礦電池的功率密度較低,在200 lux以下的照度時,每平方釐米的功率為16.7微瓦,在400 lux照度時則升至35微瓦。因此,此類太陽能板較適合用在不耗電的產品設備上,比如小型感測器或物聯網設備。
2018年,他們開始將該種太陽能電池用於厚100微米的柔性玻璃板上,該玻璃上塗有氧化銦錫,並暴露於變化的室內照明下進行測試。他們發現,未封裝的太陽能電池在100天內保持了其初始功率轉換效率的80%。但是之後,性能下降得很快,這主要源於鈣鈦礦太陽能電池暴露於溼氣、苛刻的溫度、紫外線、氧氣和其他元素時通常會被降解。
為了集成到物聯網設備中,室內光伏電池需要持續至少5~10年,而此時人們通常會升級電子設備。在室外使用該電池,對環境的寬容度較低,在預計太陽能電池板持續使用數10年的情況下,此類挑戰會更加嚴重。
鈣鈦礦太陽能電池並不是用於室內光伏材料的唯一選擇,歐洲研究團隊正在開發基於銅複合電解質的染料敏化太陽能電池,也稱為Grtzel電池。 最近,他們在一塊薄薄的導電玻璃上測試了該電池。他們發現,太陽能電池通過螢光燈將1000lux強度的環境光中的34%轉換為電能,而在200lux的強度下31.4%的光將轉化為電能。
他們聲稱,染料敏化太陽能電池在室內可能更具優勢。在辦公室、工廠和零售場所的弱光環境下,該材料可以保持高電壓和高感光度,它可以混合和匹配染料以適合室內光線的光譜,可以非常輕鬆地調整系統等。接下來,他們將致力於提高染料敏化太陽能電池的穩定性和可擴展性。
據悉,團隊已與慕尼黑工業大學合作開發了自供電的智能物聯網設備,該設備能夠在可用光量最大時收集、傳輸和處理數據。 這些小工具在完成工作負荷之間會間歇性地休眠,且當可用光較少時(辦公樓的夜間和周末)休眠時間還可以更久一些,從而避免了對電池的不必要需求,並最大程度地減少了能量損耗。