太阳能电池如何提高室内物联网设备的可靠性？

从智能楼宇传感器到资产跟踪器，许多室内物联网设备由于设计简单，仍然依赖一次性电池供电。然而，这种依赖带来了一些挑战，包括使用寿命有限、维护费用、运行停机和环境问题。这些因素叠加在在一起，直接影响了物联网设备的可靠性。

此外，频繁更换电池既费时又低效。这与物联网“自主且设备始终在线”的愿景背道而驰。因此，有必要采用新的方法为室内物联网节点供电，以提高可靠性，最大限度地降低维护成本，并推动大规模部署。

根据 Transforma Insights 的一份报告，预计到 2030 年，物联网设备的增长将使能源需求增加 34 太瓦时。因此，应对这一挑战的关键是利用室内太阳能电池持续供电，通过使用可持续材料并避免使用电池来减少电子垃圾，以及尽可能地降低计算和传输数据的能耗成本。

近年来，为室内环境量身打造的光伏技术在材料和结构方面取得了巨大的进步。晶体硅是户外太阳能电池板的标准活性材料，其带隙为 1.12 eV。然而，由于典型的室内光源只在可见光范围内发光，因此最佳带隙变为 1.9 - 2.0 eV。

因此，晶体硅在室内照明条件下的性能很差。为解决这一问题，业界已开发出采用光收集技术的室内用替代品，包括非晶硅、染料敏化太阳能电池 (DSSC)、过氧化物太阳能电池和有机光伏电池。

图 1：Panasonic Energy 的 AM-1456CA-DGK-E 非晶太阳能电池，采用玻璃基板。(图片来源：Panasonic Energy）

物联网的关键室内光伏技术

1. 非晶硅 (a-Si) 电池

非晶硅 (a-Si) 是一种成熟的薄膜太阳能技术，其光学带隙约为 1.6 eV，更接近室内照明应用的最佳值。这是首个被纳入低功耗室内物联网设备的技术。

由于非晶硅的光谱匹配特性以及在低光照水平下相对较高的开路电压，因此在典型的室内光照条件下，a-Si 的性能优于晶体硅。测试表明，氢化 a-Si 太阳能电池在 LED 室内照明下的效率可达 21%。

a-Si 太阳能电池的主要优势是利用气态等离子体源制造薄膜，成本效益高。这样就能在低成本的柔性基板上制造太阳能电池。

然而，这种技术有一个重大局限——需要更大的电池面积才能产生与新技术相同的功率。此外，每个 a-Si 电池单独产生的电压相对较低，因此通常要将每个电池串联才能达到物联网设备所需的电压。

图 2：TDK Corporation 的 BCS4430B6 非晶薄型柔性太阳能电池，开路电压为 4.2 V。(图片来源：TDK Corporattion）

2. 染料敏化太阳能电池 (DSSC)

作为新一代光伏设备，DSSC 的工作原理与光合作用类似，工作电极上的染料通过光敏作用产生电子，然后再由电解质通过氧化还原反应补充电子。这种染料可以根据室内光源的发射光谱进行优化，因此非常适合室内物联网应用。

一种不同的设计方法是采用多维纳米结构，如复合光阳极。这种结构结合了散射功能，以加强光捕获和电荷收集能力。有研究论文声称，利用一种新型纳米结构，在 0.014 mW/cm² 的极微弱人工光照条件下，实现了 24% 的功率转换效率。

3. 过氧化物太阳能电池 (PSC)

室内应用的另一种前景广阔的替代品是 PSC，这种材料的研究始于在 2015 年。在本研究中，研究人员通过设计电子传输层，实现了对钙钛矿活性层中陷阱态及载流子动力学的控制。由此产生的 PSC 在室内环境下实现了 27.4% 的功率转换效率。

钙钛矿是一类可溶液加工的半导体材料。这种材料可调节至 1.8 eV 的理想带隙值以及高光电压特性，因而在 LED 光源和荧光灯光照条件下均能呈现优异的光电转换效率。钙钛矿室内光伏 (IPV) 器件的效率已创下历史新高。2025 年的一项研究报告显示，在 1,000 lux 条件下的功率转换效率为 42% ，是有史以来的最高记录。

4. 有机光伏电池 (OPV)

有机光伏技术 (OPV) 利用碳基分子作为半导体来吸收光线和发电。通过分子设计，可以定制有机半导体，使其具有很强的可见光谱针对性。经过优化的室内 OPV 在低光照条件下展现出的功率转换效率接近 30% ，可媲美最好的 DSSC 或过氧化物电池。

这些特性使 OPV 特别适用于不规则外形的离散物联网部署，因为它可以在 PET 塑料等基材上印刷成薄薄的柔性薄膜。有些公司甚至生产出了可以弯曲或适应各种形状的柔性室内太阳能箔。对于物联网设计人员来说，这意味着太阳能电池可以很容易地集成到设备中，例如作为传感器表面的薄膜或贴纸式电源薄膜。

结语

室内太阳能电池已成为构建自主物联网系统的关键使能技术。通过从环境光中收集能量，这些太阳能电池成为一次性电池的一种实用性替代品，可实现长效性和低维护操作。

材料科学的不断进步，特别是过氧化物和有机物的发展，正在提高弱光条件下的功率转换效率，而智能集成策略正在解决稳定性和外形尺寸的限制问题。其结果是，为物联网环境开辟了一条通往更可持续未来的明确道路。