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新型太阳能电池可以为物联网设备获取室内照明

目前,数十亿个连接互联网的设备正部署在办公室墙壁和天花板、商场、家庭、工厂的各个角落,以感应、监视并将数据传输到智能手机或远程服务器。随着电子产品的激增,它们对电力的需求和对家用电池的需求也在不断增加,因此需要高效率且易于整合的能量收集装置,在获得电能和动力的同时最大限度地利用室内丰富的光照资源。为了减少浪费,研究人员正在设计新型太阳能电池,可以从我们已经使用的室内灯中获取能量。

当今太阳能电池的主要材料晶体硅在灯下的性能不如在烈日下。但是,钙钛矿太阳能电池和染料敏化材料等新兴替代品在将人工照明转化为电能方面的效率可能会大大提高。

来自意大利、德国和哥伦比亚的一组研究人员正在开发专门用于室内设备的柔性钙钛矿太阳能电池。在最近的测试中,他们的薄膜太阳能电池在200 lux(家庭中典型的照明量)下的能量转换效率超过20%。据项目负责人、罗马大学(University of Rome Tor Vergata)工程教授Thomas Brown说,这大约是多晶硅室内效率的三倍。

Brown说,4月底公布的研究结果是所有室内柔性太阳能电池技术中效率最高的。非晶硅技术,用于商业产品如计算器,在柔性层上的效率只有9%左右。

他还表示:“物联网正在发生一场革命。他设想将超轻电池集成到无线恒温器、火警、安全摄像头和其他低功耗传感器中。当太阳能电池与储能装置配对时,这将减少或消除可更换电池的使用。”

钙钛矿是光伏研究的一个快速发展的领域,是有机化合物、金属和卤化物的混合物,其晶体结构与矿物钙钛氧化物的晶体结构相似。公司和大学正竞相将这种低成本、易于生产的材料转变成耐用、稳定的太阳能电池,希望能使可再生能源在全球范围内变得更加廉价和丰富。

近年来,Brown在罗马的团队利用低温程序制造了柔性钙钛矿太阳能电池。2018年,他们开始将太阳能电池应用于Fraunhofer Institute for Organic Electronics,Electron Beam和Plasma Technology提供的一块100微米厚涂有氧化铟锡(ITO)的柔性玻璃上。(ITO是一层薄而透明的导电层)意大利研究小组随后将太阳能电池暴露在不同强度的室内照明下。

他们发现,在保质期测试中,未封装的太阳能电池在超过100天的时间里保持了80%的初始能量转换效率。然而,在这段时间之后,其性能下降得更快。Brown说,为了集成到物联网设备中,室内光伏电池需要至少维持5到10年,大约到人们通常需要升级电子设备的时候。

钙钛矿型太阳能电池通常在潮湿、恶劣温度、紫外线、氧气和其他元素的作用下会降解。当这项技术在外界使用时,这种挑战就被放大了,因为外界对环境的宽容度较低,而太阳能电池板预计将持续数十年。

美国能源部国家可再生能源实验室的资深研究科学家Joe Berry说:“我经常告诉人们,在光伏领域,你的iPhone是一款很棒的设备,但如果你把它放在屋顶上30年,我想你不会指望它还能正常工作。这就是我们对太阳能电池所做的,我们希望它们能保持性能30年。”

Berry是美国Manufacturing of Advanced Perovskites Consortium的制造总监,该公司将政府实验室、学术机构和企业聚集在一起,以加快新型太阳能技术的发展。Berry表示,由于小型室内设备可能首先上架,钙钛矿的早期应用可以指导研究人员和制造商开发更大体积、更大规模的室外应用的电池。

他说:“一旦你能进入市场,你所学到的东西就和你在实验室所学到的完全不同了。”

钙钛矿电池并不是唯一一种用于室内光伏的材料。

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

由Marina Freitag领导的一个欧洲研究小组正在开发基于铜复合电解质的染料敏化太阳能电池(也称为Grätzel电池)。该小组最近在一块薄的方形导电玻璃上测试了其设备。他们发现,根据最近的一篇论文显示,在1000 lux的强度下,太阳能电池将34%的环境光转化为电,在200 lux的强度下,太阳能电池将31.4%的环境光转化为荧光灯。

Freitag是一名化学家,她在瑞典乌普萨拉大学开始工作,在英国纽卡斯尔大学完成研究,现在是英国皇家学会大学研究员。她说,当她几年前进入光伏领域时,钙钛矿的发展势头正在增强,就像染料敏化太阳能电池在户外应用中失宠一样(部分原因是能量转换效率低下)。

她说,后一种技术在室内可能具有优势,这种电池可以在家庭、办公室、工厂和零售场所的低光环境中保持高电压和高感光度。

Freitag的团队还与慕尼黑技术大学合作,帮助开发能够在光线最充足的情况下收集、传输和处理数据的自供电智能物联网设备。与钙钛矿的同行一样,Freitag说,她下一步将致力于提高染料敏化太阳能电池的稳定性和可扩展性。

如果任何一项技术从实验室取得进展,它们无疑将有足够的机会在现实世界中获取能量。据估计,到2025年,全球将安装约750亿台物联网设备。

钙钛矿研究人员Brown说,他认为“最具吸引力的、具有显著增长潜力的市场是室内发电市场。”

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