目前，數(shù)十億個(gè)連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備正部署在辦公室墻壁和天花板、商場(chǎng)、家庭、工廠的各個(gè)角落，以感應(yīng)、監(jiān)視并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">智能手機(jī)或遠(yuǎn)程服務(wù)器。隨著電子產(chǎn)品的激增，它們對(duì)電力的需求和對(duì)家用電池的需求也在不斷增加，因此需要高效率且易于整合的能量收集裝置，在獲得電能和動(dòng)力的同時(shí)最大限度地利用室內(nèi)豐富的光照資源。為了減少浪費(fèi)，研究人員正在設(shè)計(jì)新型太陽(yáng)能電池，可以從我們已經(jīng)使用的室內(nèi)燈中獲取能量。

當(dāng)今太陽(yáng)能電池的主要材料晶體硅在燈下的性能不如在烈日下。但是，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和染料敏化材料等新興替代品在將人工照明轉(zhuǎn)化為電能方面的效率可能會(huì)大大提高。

來(lái)自意大利、德國(guó)和哥倫比亞的一組研究人員正在開(kāi)發(fā)專門用于室內(nèi)設(shè)備的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。在最近的測(cè)試中，他們的薄膜太陽(yáng)能電池在200 lux（家庭中典型的照明量）下的能量轉(zhuǎn)換效率超過(guò)20%。據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、羅馬大學(xué)（University of Rome Tor Vergata）工程教授Thomas Brown說(shuō)，這大約是多晶硅室內(nèi)效率的三倍。

Brown說(shuō)，4月底公布的研究結(jié)果是所有室內(nèi)柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)中效率最高的。非晶硅技術(shù)，用于商業(yè)產(chǎn)品如計(jì)算器，在柔性層上的效率只有9%左右。

他還表示：“物聯(lián)網(wǎng)正在發(fā)生一場(chǎng)革命。他設(shè)想將超輕電池集成到無(wú)線恒溫器、火警、安全攝像頭和其他低功耗傳感器中。當(dāng)太陽(yáng)能電池與儲(chǔ)能裝置配對(duì)時(shí)，這將減少或消除可更換電池的使用。”

鈣鈦礦是光伏研究的一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，是有機(jī)化合物、金屬和鹵化物的混合物，其晶體結(jié)構(gòu)與礦物鈣鈦氧化物的晶體結(jié)構(gòu)相似。公司和大學(xué)正競(jìng)相將這種低成本、易于生產(chǎn)的材料轉(zhuǎn)變成耐用、穩(wěn)定的太陽(yáng)能電池，希望能使可再生能源在全球范圍內(nèi)變得更加廉價(jià)和豐富。

近年來(lái)，Brown在羅馬的團(tuán)隊(duì)利用低溫程序制造了柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。2018年，他們開(kāi)始將太陽(yáng)能電池應(yīng)用于Fraunhofer Institute for Organic Electronics，Electron Beam和Plasma Technology提供的一塊100微米厚涂有氧化銦錫（ITO）的柔性玻璃上。（ITO是一層薄而透明的導(dǎo)電層）意大利研究小組隨后將太陽(yáng)能電池暴露在不同強(qiáng)度的室內(nèi)照明下。

他們發(fā)現(xiàn)，在保質(zhì)期測(cè)試中，未封裝的太陽(yáng)能電池在超過(guò)100天的時(shí)間里保持了80%的初始能量轉(zhuǎn)換效率。然而，在這段時(shí)間之后，其性能下降得更快。Brown說(shuō)，為了集成到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，室內(nèi)光伏電池需要至少維持5到10年，大約到人們通常需要升級(jí)電子設(shè)備的時(shí)候。

鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池通常在潮濕、惡劣溫度、紫外線、氧氣和其他元素的作用下會(huì)降解。當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)在外界使用時(shí)，這種挑戰(zhàn)就被放大了，因?yàn)橥饨鐚?duì)環(huán)境的寬容度較低，而太陽(yáng)能電池板預(yù)計(jì)將持續(xù)數(shù)十年。

美國(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的資深研究科學(xué)家Joe Berry說(shuō)：“我經(jīng)常告訴人們，在光伏領(lǐng)域，你的iPhone是一款很棒的設(shè)備，但如果你把它放在屋頂上30年，我想你不會(huì)指望它還能正常工作。這就是我們對(duì)太陽(yáng)能電池所做的，我們希望它們能保持性能30年。”

Berry是美國(guó)Manufacturing of Advanced Perovskites Consortium的制造總監(jiān)，該公司將政府實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和企業(yè)聚集在一起，以加快新型太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展。Berry表示，由于小型室內(nèi)設(shè)備可能首先上架，鈣鈦礦的早期應(yīng)用可以指導(dǎo)研究人員和制造商開(kāi)發(fā)更大體積、更大規(guī)模的室外應(yīng)用的電池。

他說(shuō)：“一旦你能進(jìn)入市場(chǎng)，你所學(xué)到的東西就和你在實(shí)驗(yàn)室所學(xué)到的完全不同了。”

鈣鈦礦電池并不是唯一一種用于室內(nèi)光伏的材料。

Photo： Marina FreitagA researcher holds a dye-sensitized solar cell based on a copper iodide complex.

由Marina Freitag領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)歐洲研究小組正在開(kāi)發(fā)基于銅復(fù)合電解質(zhì)的染料敏化太陽(yáng)能電池（也稱為Gr?tzel電池）。該小組最近在一塊薄的方形導(dǎo)電玻璃上測(cè)試了其設(shè)備。他們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)最近的一篇論文顯示，在1000 lux的強(qiáng)度下，太陽(yáng)能電池將34%的環(huán)境光轉(zhuǎn)化為電，在200 lux的強(qiáng)度下，太陽(yáng)能電池將31.4%的環(huán)境光轉(zhuǎn)化為熒光燈。

Freitag是一名化學(xué)家，她在瑞典烏普薩拉大學(xué)開(kāi)始工作，在英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)完成研究，現(xiàn)在是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)大學(xué)研究員。她說(shuō)，當(dāng)她幾年前進(jìn)入光伏領(lǐng)域時(shí)，鈣鈦礦的發(fā)展勢(shì)頭正在增強(qiáng)，就像染料敏化太陽(yáng)能電池在戶外應(yīng)用中失寵一樣（部分原因是能量轉(zhuǎn)換效率低下）。

她說(shuō)，后一種技術(shù)在室內(nèi)可能具有優(yōu)勢(shì)，這種電池可以在家庭、辦公室、工廠和零售場(chǎng)所的低光環(huán)境中保持高電壓和高感光度。

Freitag的團(tuán)隊(duì)還與慕尼黑技術(shù)大學(xué)合作，幫助開(kāi)發(fā)能夠在光線最充足的情況下收集、傳輸和處理數(shù)據(jù)的自供電智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。與鈣鈦礦的同行一樣，F(xiàn)reitag說(shuō)，她下一步將致力于提高染料敏化太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。

如果任何一項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室取得進(jìn)展，它們無(wú)疑將有足夠的機(jī)會(huì)在現(xiàn)實(shí)世界中獲取能量。據(jù)估計(jì)，到2025年，全球?qū)惭b約750億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

鈣鈦礦研究人員Brown說(shuō)，他認(rèn)為“最具吸引力的、具有顯著增長(zhǎng)潛力的市場(chǎng)是室內(nèi)發(fā)電市場(chǎng)。”
責(zé)任編輯:pj