研究背景与挑战
物联网（IoT）通过优化供暖、通风和照明等系统的控制，实现节能建筑，这对于最大限度地减少全球能源消耗和温室气体排放至关重要。物联网市场正在快速增长，到2027年，预计将有超过400亿台设备集成到物联网生态系统中。无线物联网节点的使用寿命超过10年，但平均主电池寿命约为2年，需要频繁更换电池或充电。到2025年，估计每天将有7800万个物联网设备电池被丢弃，由于温室气体足迹和与电池处置相关的成本，提出了经济和环境挑战。一半的新物联网设备安装在室内，室内环境光线充足（人工和自然）比其他形式的环境能量具有更高的能量密度。室内光照强度变化很大（图1），但室内光源无处不在且可预测地可用，并且可以通过室内光电池（IPV）收集以为物联网节点供电。物联网传感器通常在室内照明条件下工作，照度范围为50至400勒克斯，足以为智能手表、资产跟踪器和楼宇自动化传感器等设备供电，这些设备通常需要50-150 µW或~60 µW cm−2入射功率。一些IPV技术已经成熟，有几种接近商业化。各种IPV技术超过了行业标准的氢化非晶硅（a-Si：H）。例如，染料敏化太阳能电池（DSSC）、有机光致发光材料（OPV）和卤化铅钙钛矿（LHP）都达到了30- 45%的室内功率转换效率（PCE i）范围。在200勒克斯下，使用III-V族半导体的10-cm 2 IPV模块的功率输出为21.8 µW cm−2，足以在其多年使用寿命内替换每个设备的数十个AAA电池。在这篇综述中，讨论了现有和新兴的IPV材料的现状和挑战，重点是来自低毒性卤化物和硫属化物的化合物。我们计算和分析了它们的辐射限制和光谱限制最大效率（SLME），并提出了可靠的IPV性能测量和表征的标准化框架。涵盖了扩大IPV技术的进展，包括设计高效模块的原则，以及将IPV与智能电子集成以驱动自主物联网设备。最后，我们研究了IPV的可持续性问题和制造挑战，包括某些关键材料和组件的回收，以及新兴IPV技术商业化的技术经济和政策障碍。
图文速递
设备和材料
设备室内光强度各不相同，因此IPV必须在不同的（即使是较低的）光照水平，且在降低照度时，其性能应尽可能不降低。由于自然和人工照明的混合，光源的光谱波长也会随时间变化。在本节中，IPV的性能要求，讨论了现有的IPV技术和新兴技术。
IPV性能要求
IPV的性能应该以照度（lux）而不是功率密度（W cm−2）来评估，因为室内照明往往是以人眼的光谱响应来表征的，而不是以绝对辐射单位来表征的。通常选择用于表征IPV的光强度在200到1000 lux之间变化，这是合理的，因为室内照明标准主要关注以人类任务为导向的活动。然而，IPV设备可用的光源通常可以降低到低至50勒克斯（例如，当放置在物体的阴影中时）。建筑物的室内环境有许多窗户，室内环境接收漫射的自然光和人工照明的组合，导致全天可用环境光的光谱分布发生变化-从早上明亮的自然光到午夜的完全人工光。光谱不完全可预测，并且它随着环境和漫射自然光强度的变化而变化。带隙值在1.7-1.8-eV范围内的材料非常适合于收集这种混合的环境光。1.9-2.0 eV的较宽带隙最适合于收集1000勒克斯的人工照明。例如，带隙为1.9 eV的吸收体可以在1000勒克斯人工照明。理想的IPV技术应包括具有高吸收系数和优化形态的吸收体。它应可以可持续的方式处理，保持低的制造成本并确保在不同的光强度和光谱下可靠的高性能。
成熟的IPV技术
IPV吸收剂需要高效稳定，由无毒和非管制元素制成，并且能够在大面积上成本有效地制造。满足大规模经济可制造性、RoHS合规性和稳定性的要求，报告的PCEi值高达21%（但在典型的室内光谱下通常为4.4-9.2%）。使用III-V族半导体的IPV器件实现了更高的PCE i值，即使在低照度下，在100 lux时达到37.5%。当强度从1000 lux降低到100 lux时，VOC和填充因子（FF）的损失分别仅为78 mV和2.1%。如此低的损失可归因于106量级的高分流电阻 Ω cm2。然而，III-V族技术通常受到其高制造成本的限制。碲化镉（CdTe）和铜铟镓硫化物（CIGS）薄膜的制造成本更低。然而，基于CIGS的IPV具有6.5×104 Ω cm 2的低分流电阻，因此VOC大幅下降（ΔVOC=156 mV）和FF（ΔFF= 31.7%）从1000 lux到100 lux，导致100 lux下的PCEi仅为4.5%。≥106 Ω cm 2的高分流电阻和最小化的体复合是最小化任何IPV器件的PCE i损耗的关键要求，特别是在≤200 lux的低光强下。在低光强度下，在具有低分流电阻的材料中会发生严重的FF和VOC损失，因为过低的分流电阻会导致高漏电流，其随光强度保持恒定，而光电流随光强度下降而下降。电阻越低，FF损耗越大。具有优化形态的高质量厚吸收层可导致器件中的高分流电阻，因为吸收层中的不均匀性通常会导致分流损耗。CdTe器件具有6.5×106 Ω cm 2的高分流电阻，但在1000勒克斯下显示出18%的中等PCE i，因为这些器件的带隙较窄，为1.45 eV，因此在1000 lux下VOC <0.6 V。因此，已建立的IPV技术在室内照明下具有有限的性能（a-Si：H、CdTe和CIGS），或者制造成本高（III-V族半导体）。
新兴IPV技术
DSSC、OPV和LHP是目前正在进行商业化生产或开发的新兴IPV技术，在低光强下，DSSC、OPV和LHP均显示出<150 mV的低ΔVOC（OPV和LHP <82 mV）和ΔFF <5%对于所有三种技术，小尺寸（<1-cm 2）器械在1，000 lux下的VOC ≥ 1 V。卤化铅钙钛矿。LHP已经达到最高的PCE i（在1000勒克斯荧光灯照明下为44.72%；器件面积约为0.09平方厘米），经过短短十年的发展。LHP IPV的PCE i从2015年的不到30%增加到2021年以来的40%以上，这归因于三个因素：首先，LHP吸收层和两个电荷传输层之间的界面钝化；其次，使用碘化烯铵等添加剂抑制体内陷阱；第三，将带隙从纯碘化物钙钛矿中的1.6eV增加到~ 1.7eV以更好地与室内光源的光谱重叠，增加材料的效率极限。
测量、表征和标准
由于缺乏IPV材料的标准化测试条件，文献中很难对不同技术之间的室内光转换性能进行有意义的比较。太阳能光伏发电的成功和太阳能光伏产品的全球市场-从材料到系统-依赖于一套标准的广泛采用，该标准统一了来自强大的全球测量设施和研究实验室网络的设备测试100。太阳能光伏标准涵盖了目前市场上所有可用的技术，可靠性和安全标准。这些标准确保了对太阳能光伏产品的信心，并促进了市场增长。相比之下，新生的IPV市场的必要标准还不发达。
设备性能测试标准
随着国际电工委员会（IEC）技术规范62607-7-2的发布，IPV标准测试的早期步骤于2023年开始，其中定义了IPV设备的室内标准测试条件（ISTC），沿着了光源分类和使用校准参考设备的要求。实际上，上述技术规范源自太阳能PV的IEC 60904-X系列，其中定义了电流-电压（I-V）测试和其他方法，太阳能光伏测试和室内光伏测试的主要区别在于光强和光谱。ISTC和两个参考光谱（沿着与AM 1.5太阳光谱进行比较）。室内参考光谱仅定义在光谱的可见光区域，介于380nm和780nm之间。在常见的室内低光照条件下，光伏器件预期对辐照度的非线性功率响应。因此，ISTC需要在三个不同的光照水平下进行测量，以确保捕获此类非线性，在不同光照水平下进行测量时，必须保持光源的光谱轮廓。ISTC还意味着IPV设备的光谱响应测量需要在这种低光照下进行光谱响应测量对于光伏器件的开发和优化非常有用，对于校正光源之间差异的光谱失配计算也是必要的。25 ° C的标准温度意味着光伏器件可能需要稍微加热，但是低照明水平意味着在测量期间温度控制是直接维持的。
标准方面的挑战和差距
太阳能光伏的许多测试标准和测量方法都可以用于IPV表征，但有些领域需要新的方法和技术规范。目标IPV设备测试的准确性依赖于主参考电池校准的准确性，对于太阳能应用，不确定性非常低。尽管一些国家实验室可以提供校准的参考电池用于IPV测试，在学术界、工业界和测试实验室中，IPV设备测试需要定制服务、商用现成参考电池产品和主要参考电池校准服务。这些设备是IPV测试的必要组成部分，也有助于室内光模拟器的开发、商业化和使用，其中一些原型系统符合IEC TS 62607-7-2：2023年已确认。在室内光照条件下，IPV器件的光电流和光电压的非线性效应作为辐照度的函数是很重要的，因此需要在不同照度水平下进行测试。虽然对于室外应用，光电流的非线性对于评估低光照条件下的损耗很重要，对于物联网应用中的IPV，作为照度水平的函数的光电压行为要重要得多。这是因为IPV设备可能用于充电，电池，这需要最低的电压水平来提供。
资源和设备建模
室内光资源在不同行业和环境中的预测具有挑战性，并将取决于特定的案例和应用。初步的努力是评估用于能量收集的室内光资源的可用性或开发室内光收集系统的模型，但需要更有效的室内光收集建模工具。物联网系统集成商需要更强大的建模。改善对室内光资源的可用性、光谱、强度和可变性的评估，也将有助于光伏设备建模和模拟要求，以优化IPV技术材料和设备。室内光资源的数据集也将为未来IEC TS 62607-7-2：2023关于光谱和强度等级选择的修订提供信息。这些数据还将允许开发IPV产品的能源评级标准，类似于太阳能光伏的IEC 61853系列，其中也包括参考气候特定数据集。此外，室内光捕获条件下的潜在极端限制（最大辐照度，温度和湿度）将定义相关的安全性和可靠性标准，以确保IPV产品的质量，从而增加对这些设备的信心。
总结与展望
到2035年，全球物联网市场预计将增长到1万亿美元以上。这种增长为非传统和新的光伏技术提供了一个独特的机会，以可持续和具有成本效益的方式为物联网设备供电。尽管广泛的IPV研究和许多成熟的技术在各种室内光照强度下显示出有前途的性能，关键要素，如器件整个寿命期内的可靠性和可持续性，仍未完全实现。截至目前，a-Si：H主导着IPV市场，OPV现在正在增长。虽然确定最有前途的下一代IPV技术还为时过早，但有前途的IPV技术的主要特点是在各种室内条件下的高效率，低制造成本和能源需求、稳定性、可靠性和无毒。通过这次审查，我们确定了代表未来重要方向的五个关键领域。
首先，成分工程对于增强新兴IPV候选产品的性能至关重要。对于DSSC，具有更宽吸收光谱、更高摩尔消光系数和更好能级对准的新染料分子可以提高PCE i。固体或准固体电解质和柔性器件的容纳策略对于稳定性至关重要。对于OPV，开发与室内光源具有更好光谱匹配的有机半导体是优先事项。基于无机材料和有机-无机杂化材料（特别是含硫族元素的材料）的低毒宽禁带半导体材料由于其高稳定性而具有良好的应用前景。对LHP等缺陷容忍材料的研究可能导致其他有前途的钙钛矿型IPV吸收剂。
其次，高设备运行稳定性对于确保物联网设备多年使用寿命的商业兼容性至关重要。这些设备应在各种室内光线条件下运行。制造高质量的吸收层将确保降低漏电流和体复合损耗。使用先进的人工智能算法可以加速和丰富定制的器件优化和数据解释，从而促进高效IPV技术的发展。此外，更重要的是要重视开发适合特定应用的有效封装（例如在刚性基底上，或用于可穿戴应用）。
第三，协调的性能评估方法是至关重要的，例如最近的IEC TS 62607-7-2：2023，其中定义了ISTC和程序。需要额外的协调工作，特别是在室内条件下的适当压力测试，资格标准和能量等级评估。协调工作将需要对室内光资源进行调查，这也将允许开发产量建模工具。揭示分流电阻值及其均匀性的方法，以及低光条件下的功率线性度，对于IPV技术开发将是至关重要的。最后，能源管理和存储对于有效地为物联网设备供电至关重要。高效的电源转换器和创新的储能系统可以确保即使在光线不足的情况下也能为室内设备提供稳定的电力供应。光伏专家和物联网工程师之间的合作至关重要。IPV技术的开发必须考虑整个价值链的可持续性，包括原材料，可扩展的生产方法和回收策略。新兴的光伏公司正专注于柔性光伏和室内集光市场。即使在柔性薄膜上，可定制的形状也使新兴的IPV技术具有吸引力，并可满足各种物联网需求。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202509/22/50009079.html
