朱樹盛，張翠苓，方健海，劉 沖，李 陽，吳紹航，麥耀華

光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)的研究進(jìn)展與展望*

朱樹盛1,3，張翠苓1，方健海2，劉 沖1，李 陽3，吳紹航1?，麥耀華1?

（1. 暨南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，新能源研究院，廣州 510632；2. 廣州北環(huán)智能交通科技有限公司，廣州 510030；3. 五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529000）

隨著5G時代的到來，屆時將存在數(shù)量龐大的室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。盡管大多數(shù)室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是低功率產(chǎn)品，但它們通常是分布式的，且需要定期更換供電設(shè)備，這會導(dǎo)致成本增加和工作不便，而環(huán)境能量采集技術(shù)正好可以解決這一難題。環(huán)境中的光能是最值得被開發(fā)利用的能源之一，光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)正是通過采集周圍光能并轉(zhuǎn)換成電能，達(dá)到為室內(nèi)低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的目的。本文針對如何最大化地延長光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)為室內(nèi)低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的時間這一主要問題，從高效率采集室內(nèi)光能、最大功率點跟蹤和儲能選擇三個方面進(jìn)行簡要綜述。首先通過對比分析室內(nèi)光源下帶隙值，串并聯(lián)電阻的大小和電池種類對光伏電池弱光性能的影響，提出了一種高效率采集室內(nèi)光能的方案；其次從工作原理、優(yōu)缺點和技術(shù)特征等方面分析討論各類最大功率點追蹤技術(shù)，指出開路電壓比例系數(shù)法可能最適合用于室內(nèi)場景下光伏電池的最大功率點追蹤；最后分析和討論超級電容和可充電電池各自存在的優(yōu)缺點，指出在光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)的儲能選擇方面，可充電電池與超級電容結(jié)合使用的儲能模塊可能是一個有前途的發(fā)展方向，為進(jìn)一步推進(jìn)室內(nèi)光能采集系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

光伏電池；室內(nèi)光能；最大功率點追蹤；儲能；采集系統(tǒng)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展逐漸軌道化，萬物互聯(lián)的時代即將來臨[1]。屆時世界上的物體，從飛馳的輪胎到靜止的書桌，從腳下的鞋子到地球背面的燈泡，都可以通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)主動進(jìn)行信息交換。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已進(jìn)入實質(zhì)性發(fā)展階段[1]。預(yù)計到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的數(shù)量將達(dá)到386億，到2030年估計將達(dá)到500億[2]。2020年5月，我國工信部下發(fā)了關(guān)于推進(jìn)移動物聯(lián)網(wǎng)深入發(fā)展的通知[3]。物聯(lián)網(wǎng)的推廣應(yīng)用，必將使用大量的采集端設(shè)備來感知事物，采集端設(shè)備一般由傳感器和一定的電路組成，其耗能通常不會太高。特別是近年來，物聯(lián)網(wǎng)的低功率核心芯片快速發(fā)展。如美國德州儀器公司推出的低功耗藍(lán)牙芯片CC2642R-Q1，其工作功率可低至12.4 mW，待機(jī)功耗可低至1.7 μW。意味著1 kW?h電可讓其工作8萬小時或待機(jī)超過6萬年。雖然能耗小，但是持續(xù)供電卻存在有線連接或電池更換的問題。這將嚴(yán)重影響物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用的范圍。要擺脫這些束縛，采集端設(shè)備必須在環(huán)境中獲取足夠的能量。

圖1 理想情況下系統(tǒng)的一個循環(huán)周期

如果環(huán)境中獲取的能量（e）大于設(shè)備工作所需的能量（w），設(shè)備可以連續(xù)工作。但是就目前大多數(shù)情況下，環(huán)境中獲取的能量不足以維持設(shè)備連續(xù)工作。如圖1所示，對系統(tǒng)從能耗角度進(jìn)行了分析。為了方便討論，基于現(xiàn)狀做了四點設(shè)定：①e恒定不變；②設(shè)備開始工作前，蓄電池滿電，即蓄電池能量（battery）為100%；③設(shè)備工作時（1），其w通常大于e，蓄電池持續(xù)放電，直到蓄電池能量完全釋放，設(shè)備進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)（2）；④設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)，環(huán)境提供的能量足以支持設(shè)備待機(jī)所需的能量（s），過剩能量將儲備到蓄電池里，當(dāng)蓄電池剛好完全充滿時2結(jié)束。則應(yīng)該存在以下關(guān)系：

通過上述分析可知，降低工作耗能和提高環(huán)境能量獲取是提高設(shè)備工作時長的關(guān)鍵；蓄電池儲能的大小不影響設(shè)備工作和待機(jī)的時間比，但是影響連續(xù)工作時間。雖然對分析進(jìn)行了簡化，但是大多數(shù)實際應(yīng)用情況也都是該模型的變形或拓展，其基本結(jié)論不變。

環(huán)境中有多種能量可以獲取，如無線電波、機(jī)械能、熱能、風(fēng)能和光能等。為了匹配物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用，能量必須考慮其存在場景和能量密度。無線電波包括無線上網(wǎng)信號、手機(jī)信號等，可以轉(zhuǎn)換為電能，但其能量密度低，能夠驅(qū)使設(shè)備工作的時間太短。機(jī)械能在特定環(huán)境下具有相當(dāng)優(yōu)勢，如在鞋底或門把手處安裝壓電裝置，可將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，但其缺陷是?yīng)用場景受限。熱能通過塞貝克效應(yīng)可以轉(zhuǎn)換成電能，而且溫差足夠大的情況下，可以產(chǎn)生相對高的電壓。熱能在熱水管道等存在溫差的特定場景下很有應(yīng)用潛力，但其應(yīng)用場景比較受限，而且電流通常不大。風(fēng)能一般難以直接轉(zhuǎn)換為電能，需要利用一定的機(jī)械運動才能達(dá)成。長時間機(jī)械結(jié)構(gòu)的運動和適用場景都是限制其普遍應(yīng)用的重要因素。光能可能是存在場景最廣的能量之一。一般環(huán)境下，暖白光LED的功率可達(dá)0.14 mW/cm2，10 cm2面積上的能量可達(dá)1.4 mW，1 min的能量值為84 mJ，足以驅(qū)動藍(lán)牙芯片CC2642R-Q1連續(xù)工作6.8 s或待機(jī)工作13.8 h?？梢?，環(huán)境中的光能是值得被開發(fā)利用的能源之一。光伏電池正是將環(huán)境中的光能轉(zhuǎn)換為有用的電能，如何使用光伏電池高效率采集室內(nèi)環(huán)境中的光能，以達(dá)到盡可能地延長室內(nèi)光能采集系統(tǒng)工作時間是急需解決的問題。

本文從高效率采集室內(nèi)光能、最大功率點跟蹤、儲能選擇三個方面展開討論，以期為進(jìn)一步推進(jìn)室內(nèi)光能采集系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 高效率采集室內(nèi)光能

1.1 帶隙的影響

高效率采集環(huán)境中的光能，可以提高采集端持續(xù)工作的時間，但環(huán)境中的光能采集受到光伏電池模塊尺寸、室內(nèi)光強(qiáng)度、光譜組成等多方面的限制[4]。其中，室內(nèi)光源的發(fā)射光譜僅限于可見波長區(qū)域，與標(biāo)準(zhǔn)太陽光（AM 1.5G，100 mW/cm2）相比，其光譜帶寬很窄（圖2）[5-6]，輻照度降低了大約3個數(shù)量級[4]（通常為0.1 ~ 1 mW/cm2），不可避免地降低了光電流，導(dǎo)致室內(nèi)人造光能的能量密度較低[7]，這對室內(nèi)人造光源下光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率（power conversion efficiency, PCE）提出了更高的要求。

圖2 一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光與不同室內(nèi)光源的光譜

根據(jù)理論計算，在AM 1.5G時，光伏材料的理想帶隙為1.3 ~ 1.4 eV，不同室內(nèi)光源條件下，光伏材料的最佳帶隙不盡相同。當(dāng)室內(nèi)光源光譜與光伏材料的帶隙較好地匹配時，會產(chǎn)生較高的開路電壓（open circuit voltage,OC），從而得到更大的輸出功率密度（output power,out）。因此，尋找室內(nèi)光源下太陽電池的最佳帶隙，對提高室內(nèi)光電轉(zhuǎn)換效率十分重要。2013年，F(xiàn)REUNEK等[8]根據(jù)肖克利?奎伊瑟（Shockley-Queisser, SQ）極限效率對室內(nèi)光源下光伏電池的最大理論效率進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。圖3給出了在各種室內(nèi)人造光源下可實現(xiàn)的最大效率。在AM 1.5G標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下，在最佳帶隙1.4 eV時，可以得到的極限PCE約為34%，而對于白熾燈和鹵素?zé)?，最大PCE均下降到32%。此外，在熒光管、磷白色LED和光譜較窄的RGB白色LED三種光源下，對應(yīng)的最佳帶隙為1.9 ~ 2.2 eV，極限PCEs分別達(dá)到了50%、57%和64%。最突出的是，在具有單色發(fā)射的鈉放電燈下，當(dāng)帶隙為2.1 eV時，理論極限PCEs高達(dá)72%。因此，使用室內(nèi)光源下最佳帶隙的光伏電池可實現(xiàn)高效率采集環(huán)境中的光能。

圖3 不同室內(nèi)光源下的光伏電池的理想帶隙和極限效率[8]

1.2 串并聯(lián)電阻的影響

在室內(nèi)弱光環(huán)境下，光伏電池的光生電流很小，由并聯(lián)電阻（shunt resistance,sh）導(dǎo)致的漏電分流影響就相對比較大，嚴(yán)重影響OC和填充因子（fill factor, FF），從而造成室內(nèi)弱光環(huán)境下光伏電池PCE低下。針對串聯(lián)電阻（series resistance,s）和sh對光伏電池能量采集的影響，2016年，SHEN等[9]對結(jié)構(gòu)為Glass/SnO2:F(FTO)/N-CdS/P-CdTe/Cu-Au的碲化鎘（cadmium telluride, CdTe）電池在光強(qiáng)范圍為0.015 ~ 1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光強(qiáng)的條件下進(jìn)行了弱光測試。研究發(fā)現(xiàn)，CdTe的OC隨著光強(qiáng)的減弱呈現(xiàn)對數(shù)式減?。ㄒ妶D4a），當(dāng)光強(qiáng)由1 kW/m2減弱至0.28 kW/m2時，F(xiàn)F由 67.5%升至69.8%（見圖4b）。短路電流（short circuit current,SC）隨著光強(qiáng)的減弱呈現(xiàn)線性減小趨勢（見圖4c）。CdTe的PCE在1 ~ 0.4 kW/m2的范圍內(nèi)數(shù)值基本不變，而在光照強(qiáng)度低于0.4 kW/m2時，CdTe的PCE隨著光強(qiáng)的減弱明顯下降（見圖4d）。為了更深入地研究CdTe太陽電池的弱光性能，SHEN等繼續(xù)選擇了AM 1.5G時具有相似光電輸出特性，但sh差別很大的兩個CdTe電池進(jìn)行了對比研究。研究發(fā)現(xiàn)，sh較大的器件，隨著光強(qiáng)的減弱，其輸出特性下降較慢。根據(jù)相關(guān)報道，光伏電池漏電流的大小和電池種類、制備工藝和器件的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[10-11]。圖4e給出了CdTe中可能存在的漏電機(jī)制的示意圖。光伏電池的等效電路一般包括光生電流源、P-N結(jié)二極管、等效的s和sh（見圖4f）。但由于工藝的原因，往往容易出現(xiàn)P-N結(jié)界面缺陷態(tài)及非均勻互擴(kuò)散導(dǎo)致弱二極管效應(yīng)（weak-diode）[9,12-15]。此外，還需要考慮CdTe是否受電子和空穴間的非平衡輸運引起的空間電荷限制電流（space charge limited current, SCLC）的影響[16-17]。為了考察SCLC漏電機(jī)制的影響，SHEN等[9]采用了不同的漏電模型對sh相差很大的兩個CdTe光伏電池的暗態(tài)伏安特性曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)SCLC普遍存在于CdTe光伏電池中。在弱光環(huán)境下，含有weak-diode效應(yīng)機(jī)制且sh較小的CdTe光伏電池，其光電輸出特性會隨著光強(qiáng)的減弱下降嚴(yán)重。

圖4 在0.015 ~ 1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光照下，CdTe光伏電池的輸出特性；（a）開路電壓；（b）短路電流密度；（c）填充因子；（d）轉(zhuǎn)換效率；（e）CdTe光伏電池漏電通道示意圖；（f）CdTe光伏電池的等效電路模型[9]

2017年，LI等[18]比較了砷化鎵（GaAs）和CdTe兩種光伏電池的弱光性能。GaAs和CdTe兩種光伏電池均具有在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下幾乎理想的直接帶隙結(jié)構(gòu)，帶隙值基本相同，分別為1.42 eV和1.45 eV，且兩種光伏電池吸收層厚度僅為1至幾微米[18-20]。在2016年，GaAs和CdTe兩種光伏電池在AM 1.5G標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的最高PCE分別達(dá)到了28.8%和22.1%。LI等通過測量與計算，發(fā)現(xiàn)兩種光伏電池的s和sh的值隨光輻照度強(qiáng)度的變化趨勢基本相同（見圖5a ~ 圖5d）。當(dāng)光強(qiáng)從1.0個標(biāo)準(zhǔn)太陽光照下降到0.2 kW/m2時，s和sh都只略微增加[18]。當(dāng)光強(qiáng)低于0.2 kW/m2時，s和sh的值均顯著提高[9,14,19]。這是由于當(dāng)光強(qiáng)增大時，光子產(chǎn)生的載流子的濃度急劇增加，從而使電阻顯著降低。

為了證明s和sh對光伏電池-曲線的影響，LI等假設(shè)在s= 0和sh= ∞的極限情況下，根據(jù)式（3）計算不同光強(qiáng)下的-曲線，并與實測-曲線相對比，發(fā)現(xiàn)兩曲線吻合度較高，表明過低的s和過高的sh對GaAs光伏電池在不同輻照度下的性能影響可以忽略不計；同時，也發(fā)現(xiàn)相對于CdTe光伏電池，GaAs光伏電池在不同光強(qiáng)下的-特性受s和sh的影響較小[18-19]。

式中：為輸出電流密度；L為光生電流；0為反向飽和電流密度。

圖5 GaAs和CdTe光伏電池在低強(qiáng)度光輻照度下的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的變化曲線[18]

綜合以上分析，使用室內(nèi)光源下具有較大sh的光伏電池可以實現(xiàn)高效率采集環(huán)境中的光能。

1.3 不同光伏電池的影響

光伏電池的弱光特性與電池的種類和制備工藝密切相關(guān)[9]。不同的光伏電池的弱光性能差別很大，如圖6所示[10,21-23]。每種室內(nèi)光源的發(fā)射光譜和功率密度不同，為了優(yōu)化室內(nèi)光能采集，總結(jié)了幾種主流的光伏電池的弱光性能，包括染料敏化太陽電池（dye sensitized solar cells, DSSCs）、鈣鈦礦太陽電池（perovskite solar cells, PSCs）、有機(jī)太陽電池（organic photovoltaic cells, OPV）。

1991年，O'REGAN等[24]第一次報道了PCE超過7%的DSSCs。在過去的三十年里，DSSCs在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的PCE僅達(dá)到了14%，明顯低于如PSCs、OPV和CdTe等其他主流光伏電池[25-26]。但在2014年，BANDARA等[27]發(fā)現(xiàn)DSSCs在室內(nèi)光下的輸出特性表現(xiàn)良好，證明室內(nèi)光下的PCE明顯高于一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光下的PCE。

圖6 不同種類光伏電池弱光條件下轉(zhuǎn)換效率與光照強(qiáng)度的關(guān)系[23]

圖7 PAN/EC/PC:Pr4NI電解質(zhì)的準(zhǔn)固態(tài)DSSCs中[27]：（a）填充因子和最大功率時的輸出電壓隨光強(qiáng)度的變化，（b）轉(zhuǎn)換效率和最大功率輸出隨光強(qiáng)的變化；各類柔性太陽電池在200 Lux Led光下[28]：（c）最大功率密度，（d）JSC，（e）VOC與電池串聯(lián)數(shù)量的比值，（f）FF

第一個PSC于2009年誕生[29]，到目前為止，其被認(rèn)證的最高PCE已達(dá)到25.5%。PSCs是由DSSCs發(fā)展而來，其吸收系數(shù)可高達(dá)1 × 105，通過組分調(diào)控，可以調(diào)節(jié)材料的帶隙[30]。PSCs還具有成本低廉、制備工藝簡單等優(yōu)點，且可用來制備柔性、透明和疊層電池[30-32]。由于鈣鈦礦材料成本低廉和可溶液制備的優(yōu)點，使得PSCs大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。2018年，DAGAR等[31]開發(fā)出了基于SnO2/MgO/CH3NH3PbI3/Spiro-MeOTAD/Au的平面PSC，SnO2/MgO雙層電子傳輸層相對于SnO2單層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更好的性能。在200 Lux和400 Lux時，SnO2/MgO復(fù)合結(jié)構(gòu)的PSCs最大out分別達(dá)到了20.2 μW/cm2和41.6 μW/cm2，PCE為25.0%和26.9%。與僅具有SnO2層的PSCs相比，相當(dāng)于提高了約20%的PCE[31]，如圖8所示。這歸因于MgO覆蓋層使薄膜更加均勻，從而減少了界面載流子復(fù)合，獲得更好的穩(wěn)定性。最后，DAGAR等將多晶硅（c-Si）[4,33]、a-Si[34]、磷鎵銦（GaInP）[34]、DSSC[27-28]和基于SnO2/MgO的PSCs進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)在200 Lux的緊湊型熒光燈（compact fluorescent lamp, CFL）光源下，SnO2/MgO結(jié)構(gòu)的PSCs的out已經(jīng)比肩GalnP和DSSC，在200 Lux LED光源下，SnO2/MgO結(jié)構(gòu)的PSCs的out相對其他光伏電池達(dá)到了最高[31]。

圖8 c-Si、a-Si、GaInP、DSCs和基于SnO2/MgO的PSCs在CFL和LED兩種光源下200 Lux時的最大功率密度對比[31]

2018年，LI等[35]采用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（[BMIM]BF4）離子液體作為[6,6]-苯基- C61-丁酸甲酯（PCBM）的改性層應(yīng)用于FTO/NiO/CH3NH3PbI3/PCBM/[BMIM]BF4/Ag結(jié)構(gòu)的平面PSCs（見圖9a和圖9b）。結(jié)果表明，[BMIM]BF4的加入不僅加強(qiáng)了PCBM與電極的界面接觸，而且有效鈍化了表面陷阱態(tài)，提高了電子的傳輸和萃取速率。

圖9 （a）倒置p-i-n結(jié)構(gòu)PSCs的原理圖；（b）[BMIM]BF4和BCP的分子結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的光學(xué)顯微圖像；基于PCBM、PCBM/BCP和PCBM/[BMIM]BF4 ETLs結(jié)構(gòu)的PSCs（9 mm2）：（c）在AM 1.5G標(biāo)準(zhǔn)光照下的J-V曲線，（d）1 000 Lux的室內(nèi)照射下的J-V曲線，（e）4 cm2在1 000 Lux的室內(nèi)照射下的J-V曲線[35]

LI等對基于PCBM、PCBM/BCP和PCBM/ [BMIM]BF4三種不同電子傳輸層（electron transport layer, ETLs）的PSCs進(jìn)行了比較。從圖9c中發(fā)現(xiàn)，在AM 1.5G下，PCBM/[BMIM]BF4結(jié)構(gòu)的PSCs相對于PCBM和PCBM/BCP兩種結(jié)構(gòu)的PSCs性能最好[35]。其PCE、SC、OC和FF分別達(dá)到了19.30%、23.52 mA/cm2、1.06 V和77.58%。圖9d顯示了基于PCBM、PCBM/BCP和PCBM/[BMIM]BF4三種結(jié)構(gòu)的PSCs在室內(nèi)照射下（1 000 Lux）的-曲線，基于PCBM/[BMIM]BF4的PSCs的PCE達(dá)到35.20%，而PCBM/BCP器件的PCE僅為29.44%[35]。如圖9e所示，基于PCBM/[BMIM]BF4的4 cm2大面積PSCs在1 000 Lux室內(nèi)光照射下表現(xiàn)出23.16%的PCE，再次驗證了[BMIM]BF4用于制造高效、穩(wěn)定的室內(nèi)和室外應(yīng)用PSCs的巨大潛力[35]。

2019年，WU等[36]通過SQ極限[37]計算出在熒光燈管（fluorescent tube, FT）和白色發(fā)光二極管（white light emitting diode, WLED）兩種室內(nèi)光源（圖10a）在1 000 Lux時的最佳帶隙為1.96 eV和1.89 eV，對應(yīng)的極限效率分別為57%和56%[36]，如圖10c。他們認(rèn)為光源在FT和WLED時能量損失的可能原因（圖10b和圖10d）包括：①低于帶隙的光子能量不能被半導(dǎo)體吸收而產(chǎn)生能量損失；②能量超過帶隙的光子會產(chǎn)生損失，由于激發(fā)的電子空穴對攜帶額外的能量，這些能量在弛豫到帶邊后釋放；③電子空穴復(fù)合時以熱能的方式產(chǎn)生能量損失；④最大功率點處的電壓低于帶隙，會導(dǎo)致進(jìn)一步的能量損耗。結(jié)果表明，光子的能量低于帶隙能量（≈1.9 eV）引起的能量損失只占帶隙優(yōu)化值損失的一小部分[36]。

圖10 兩種人造光源的SQ極限的建模：（a）發(fā)射光譜；（b）當(dāng)光源為FT時，Eg各值能量損失的起源；（c）Eg各值的SQ極限效率與標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜（AM 1.5G）的極限比較；（d）當(dāng)光源為WLED時，Eg各值能量損失的起源；（e）大面積PSC[MA0.85Cs0.15Pb1(I0.85Br0.15)3]在FT照明下在200 Lux、600 Lux和1 000 Lux下的J-V曲線[36]

WU等[36]在已有的鈣鈦礦材料中摻入15%的Br?陰離子增加帶隙，制備MA0.85Cs0.15Pb(I0.85Br0.15)3PSCs（g≈1.9 eV）。在FT和WLED 1 000 Lux的光照下，其PCE分別達(dá)到了25.94%和25.12%，這主要歸因于光伏電池的帶隙值與光譜較好地匹配。最后，該團(tuán)隊制備出相同結(jié)構(gòu)且有效面積約為4 cm2的PSCs，并在光照強(qiáng)度為200 Lux、600 Lux和1 000 Lux的FT下，進(jìn)行了電流電壓性能測試（見圖10e），發(fā)現(xiàn)在接近正常辦公室環(huán)境的600 Lux光照強(qiáng)度時，其OC、SC、FF、PCE和out分別達(dá)1.54 V、29.09 μA/cm2、76%、17.35%和34.01 μW/m2，在光照強(qiáng)度為1 000 Lux的FT光照下，PCE值達(dá)到17.89%[36]。這表明PSCs具有作為室內(nèi)光能采集應(yīng)用的巨大潛力。

自從1958年OPV誕生以來[38]，因其生產(chǎn)成本低、靈活性高等優(yōu)點[39-42]，一直被認(rèn)為是一種很有前途的光伏電池[42]。在過去的幾十年里，由于OPV的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命不斷地提高，使這一技術(shù)越來越受青睞。目前OPV的評估和認(rèn)證主要在標(biāo)準(zhǔn)測試條件光強(qiáng)下[42-44]。據(jù)了解，OPV具有0.2 μm的超薄有機(jī)吸收層，對350 ~ 750 nm的紫外可見光具有較強(qiáng)的吸收和較高的外量子效率，使單結(jié)OPV電池具有足夠的厚度，可以有效地吸收室內(nèi)的微弱光強(qiáng)，比如熒光燈和冷暖色LED，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躘42,45-48]。2017年，日本羅姆公司的AOKI[49]研究了OPV在室內(nèi)人造光源下的弱光性能，同時對OPV和a-Si的光伏性能進(jìn)行了測試，研究發(fā)現(xiàn)在熒光燈1 000 Lux下，OPV和a-Si的輸出功率分別達(dá)到了43.4 mW/cm2和28.5 mW/cm2，并且在暗光條件下由OPV驅(qū)動的無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)勝于在a-Si的條件下[49]（見圖11）。

圖11 在不同環(huán)境照度下，由OPV和a-Si驅(qū)動的無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸速率[49]

2018年，LEE等[50]探討了使用溶液可加工小分子的OPV作為室內(nèi)光能采集器件的潛力。通過優(yōu)化光伏層的溶劑蒸汽退火時間，使其結(jié)晶和相分離得到平衡，OPV在1 000 Lux的熒光燈下的PCE超過28%，最大功率密度達(dá)到了78.2 mW/cm2，同時在AM 1.5G下的PCE超過10%。這些結(jié)果表明，有機(jī)光伏電池可以作為室內(nèi)電子產(chǎn)品的電源使用[50]。

2 最大功率點跟蹤

光伏電池在最大功率點（maximum power point, MPP）輸出能量是提高室內(nèi)弱光環(huán)境下光伏電池的利用率以及降低系統(tǒng)成本的有效手段之一。目前常用的最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）控制算法包括擾動觀察（perturbation and observation, P&O）法[51-52]、電導(dǎo)增量（incremental conductance, INC）法[53-55]、開路電壓比率系數(shù)法（fractional open-circuit voltage, FractionalOC）[56-58]和短路電流比率系數(shù)（fractional short-circuit current, FractionalSC）法[56,59-60]。

2.1 擾動觀察法

P&O技術(shù)是目前主流的MPPT算法之一[56,61]，其基本原理是通過定期給光伏電池的out施加一定步長的擾動電壓（Δ）或擾動電流（Δ），計算擾動前后輸出功率（out）的變化（Δ）。如果Δ是正值，則說明光伏電池此時工作在MPP的左側(cè)，繼續(xù)施加原來方向的擾動Δ（Δ）。如果Δ是負(fù)值，則說明此時光伏電池的工作點位于MPP的右側(cè)。如此反復(fù)改變擾動方向，使光伏電池的工作點不斷地靠近MPP（見圖12a），最終在MPP附近小范圍內(nèi)達(dá)到動態(tài)平衡[61]。

圖12 （a）P&O控制技術(shù)算法流程圖[61]；（b）P&O算法的誤判斷示意圖[62]

Fig. 12 (a) P&O control technology algorithm flow chart[61]; (b) schematic diagram of misjudgment of P&O control technology algorithm[62]

P&O控制技術(shù)的最大優(yōu)點是方法簡單，需要用到的參量少，但沒有一個明確的計算公式確定其初始電壓和擾動電壓Δ。Δ比較大時，P&O法跟蹤速度快，但精確度極差。Δ比較小時，精度較高，但是達(dá)到動態(tài)平衡所花費的時間比較長。值得注意的是，室內(nèi)光強(qiáng)變化較快的情況下，光伏電池的-特性變化較大，P&O控制技術(shù)往往容易判斷出錯誤的擾動方向（見圖12b）[61-62]。假設(shè)光伏電池的初始工作點在A處，施加正向擾動Δ后，在外界環(huán)境保持不變的情況下，工作點移動到B點，從而引起out降低，因此下一時刻的Δ應(yīng)反向。但如果在施加Δ的過程中，外界環(huán)境發(fā)生變化使-曲線發(fā)生改變，光伏電池的工作點從A處移動到C處，C點位于MPP的右側(cè)，但由于P&O控制技術(shù)，C點處out高于A點，Δ保持原來的方向不變；如果外界環(huán)境持續(xù)快速變化，則光伏電池的out將不斷遠(yuǎn)離MPP。因此，P&O控制技術(shù)適用于大功率光伏電池板在外界環(huán)境變化緩慢的情況。針對P&O控制技術(shù)的缺點，國內(nèi)外研究者們提出了各種改進(jìn)方案。2001年，HUA等[63]通過在傳統(tǒng)P&O控制技術(shù)中加入了擾動步長Δ，在施加擾動之后首先判斷輸出電流（out）的變化Δ，若Δ大于某一限定值，說明外界環(huán)境發(fā)生變化使得MPP發(fā)生改變，于是采用大步長跟蹤新的MPP，否則采用小步長實現(xiàn)MPPT[63]。這種變步長的P&O控制技術(shù)雖然相比于傳統(tǒng)的P&O控制技術(shù)極大地提升了速度和精度，但同時也增加了功耗和成本。2010年，MELLIT等[61]提出了一種現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）的P&O控制技術(shù)，開發(fā)出的MPPT的主要優(yōu)點是功耗低、速度快、可靠性好和易于實現(xiàn)，然而在輻照度快速變化時，仍無法準(zhǔn)確跟蹤MPP，同時基于FPGA的P&O控制技術(shù)由于在P&O控制技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了FPGA，這在一定程度上導(dǎo)致了功耗增加[61]。

2.2 電導(dǎo)增量法

INC是根據(jù)-特性曲線在MPP處的輸出功率對電壓的微分為0而被提出來的，同時MPP在單峰-曲線的波峰點上[64]。光伏電池的out為：

求導(dǎo)并讓等式為0，即：

由式（5）可得：

其中：G代表電導(dǎo)，為電阻的倒數(shù)。

因此，得到在MPP處：

圖13 增量電導(dǎo)法流程圖[66]

2.3 開路電壓比例系數(shù)法

根據(jù)已有報道，在光強(qiáng)和溫度不斷變化的外界環(huán)境下，光伏電池的開路電壓OC和MPP處的電壓MPP存在著近似線性關(guān)系（見圖14）：

式中：K是與光伏電池輸出特性相關(guān)的比例常數(shù)，稱為“電壓因子”，通常介于0.71 ~ 0.78之間[56,67]。CARVALHO等[56]通過對繪制在圖形上的點進(jìn)行線性回歸（一階近似）的方式，確定了圖14中Vmpp和VOC的電壓因子，在10% ~ 100%個標(biāo)準(zhǔn)太陽光照下，電壓因子K = 0.76（圖14a）；在?55 ~ 125°C的溫度區(qū)間，電壓因子K = 0.84（圖14b），進(jìn)一步驗證了光伏電池的開路電壓VOC和VMPP存在著近似線性關(guān)系。Fractional VOC的工作原理是首先采樣光伏電池在某個時刻的VOC，通過公式（8）計算出此時的最大功率點電壓VMPP，然后通過控制電路使光伏電池的工作電壓逼近計算的VMPP。通過重復(fù)的采樣、計算和控制，從而實現(xiàn)MPPT跟蹤。雖然這種算法無法達(dá)到光伏電池的真正MPP，但由于計算出的功率值與其周圍最大功率值沒有明顯差距，因此，這個缺點基本可以忽略[56]。Fractional VOC的最大優(yōu)點是控制電路簡單，耗能較少，無需改進(jìn)已經(jīng)適合用于室內(nèi)環(huán)境條件變化緩慢的情況。目前，采用Fractional VOC的設(shè)計思路一般是在主供能的光伏電池的基礎(chǔ)上，增加一塊副光伏電池來采樣VOC，可以保證在采樣VOC的時候，主供能的光伏電池不會斷開，從而提高效率。

2.4 短路電流比例系數(shù)法

Fractionalsc法在工作原理上與FractionalOC相似，在光強(qiáng)和溫度不斷變化的外界環(huán)境下，短路電流與最大功率點電流也存在一個近似的線性關(guān)系：

式中：λ與一樣，是跟光伏電池輸出特性相關(guān)的比例常數(shù)，其數(shù)值在0.78 ~ 0.92。通常需要一個額外的開關(guān)每隔一段時間將光伏電池短路，并用一個電流傳感器來檢測SC，因此真正實現(xiàn)檢測SC相對比較困難。目前大多報道采用短路電流比例系數(shù)法時，常采用數(shù)字信號處理（digital signal processing, DSP）來實現(xiàn)MPPT跟蹤，但對于采集室內(nèi)微弱光能的系統(tǒng)，這意味著極大地增加了功耗。

2.5 室內(nèi)最佳MPPT控制技術(shù)

在光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)中，選擇合適的MPPT控制技術(shù)有利于提高系統(tǒng)效率和降低成本。通常來說，MPPT控制技術(shù)越簡單，其跟蹤速度和實用性越高。P&O正是因為易于實現(xiàn)而得到廣泛應(yīng)用，但由于缺乏明確計算初始電壓和擾動Δ的方法，從而限制了MPPT效率。INC技術(shù)的硬件要求較高，要求響應(yīng)速度快，會導(dǎo)致整個室內(nèi)光能采集系統(tǒng)的成本比較高。FractionalSC控制技術(shù)通常采用DSP來實現(xiàn)MPPT跟蹤，這無疑提高了系統(tǒng)成本與功耗。FractionalOC的最大優(yōu)點是控制電路簡單，耗能較小。綜合考慮四種目前常用的MPPT技術(shù)的主要特性，結(jié)果顯示FractionalOC控制技術(shù)最適合用于室內(nèi)光強(qiáng)和溫度變化范圍較快的情況（見表1）。

表1 目前常用的MPPT控制技術(shù)的主要特性[56]

3 儲能方式選擇

室內(nèi)弱光環(huán)境下，光伏電池采集的能量較少且不連續(xù)。無論是直接將光伏電池輸出的能量儲存起來供負(fù)載使用，還是存儲多余能量作為備用，都必須將光伏電池收集到的能量進(jìn)行有效儲存，從而達(dá)到延長系統(tǒng)持續(xù)工作時間的目的。目前，存儲能量的方式主要有可充電電池、超級電容和混合供電三種[62]。

3.1 可充電電池

可充電電池種類繁多，包括密封鉛酸（sealed lead-acid, SLA）[68-69]、鋰離子/鋰聚合物（Li+/ Li-polymer）[70-72]、鎳金屬氫化物（nickel metal hydride, NiMH）[73-75]和鎳鎘（nickel-cadmium, NiCad）[76-77]等。在室內(nèi)低功耗設(shè)備中，可充電鋰電池應(yīng)用最為廣泛[78]。因此，本節(jié)主要針對鋰電池展開討論。

鋰離子電池具有自放電率較低、可長時間存放、無記憶效應(yīng)、壽命長、可以快速充電等優(yōu)點。鋰離子單節(jié)電池電壓可達(dá)3.7 ~ 4.2 V，其充電過程包括預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電三個階段。

預(yù)充電階段。鋰電池電壓低于3 V時的充電狀態(tài)稱為預(yù)充電階段，此時的鋰電池只能用小電流對其進(jìn)行充電，而無法承受大電流充電，這一階段的電流大約為下一個階段——恒流充電階段電流的10%左右。

恒流充電階段。當(dāng)電壓達(dá)到3 V時，電池進(jìn)入恒流充電階段，為了使鋰離子快速轉(zhuǎn)移，此時的充電電流應(yīng)該為恒定大電流，充電電流越大，電池充電速度越快。

恒壓充電階段。當(dāng)電壓上升至4.2 V時，電壓達(dá)到極限值，進(jìn)入恒壓充電階段，該階段應(yīng)以4.2 V的恒定電壓對其充電，隨著逐漸接近充滿的狀態(tài)，充電電流會逐漸減小，當(dāng)充電電流低至30 mA時，此時鋰電池充滿，并應(yīng)停止充電。

鋰離子電池也存在一定的缺點，與其他可充電電池相比，其成本較高，對充放電過程有較高要求，且需要過充保護(hù)和過放保護(hù)，否則影響電池壽命；充電時電池容易發(fā)熱，需要注意其安全性。

3.2 超級電容

超級電容[79]是近幾年發(fā)展起來專門用于儲能的特殊電容器，其容量比普通電容高幾個數(shù)量級，且體積小，易于整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。超級電容是雙電層充放電物理過程，能使用大電流充電，可快速完成充電，其輸出功率密度大，可實現(xiàn)快速放電，其充放電效率已經(jīng)高達(dá)98%。使用壽命長是超級電容另一個重要的優(yōu)點，其充放電次數(shù)可達(dá)50萬次以上，可連續(xù)使用幾十年。最重要的是，超級電容只需充電電流和電壓不超過額定值即可，因此不需要特殊的充電電路和控制放電電路，這有利于降低整個光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)的功耗。

圖15 （a）不同超級電容的自放電率測試[62]；（b）50 F、10 F和1 F超級電容實物圖[56]

超級電容顯著的缺點是自放電率高。2010年，WANG等[62]為了確定超級電容每24 h的自放電率，對4個不同的超級電容進(jìn)行了測試（見圖15a）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超級電容器的自放電率明顯高于可充電電池（每月5% ~ 10%的自放電率）。超級電容器每24 h自放電率最高已達(dá)45%。同時，隨著容量的增加，超級電容的尺寸變大（見圖15b）[56]。

3.3 混合供電

2009年，NASIRI等[7]討論了不同的儲能選擇，其中包括無儲能模塊、可充電電池儲能模塊、超級電容儲能模塊和不可充電電池與超級電容混合儲能模塊。當(dāng)使用不可充電電池組成的無儲能模塊電路時，負(fù)載的能量由不可充電電池和光伏電池同時提供（見圖16b）。這種結(jié)構(gòu)的室內(nèi)光能采集系統(tǒng)，光伏電池僅能起到延長電池壽命的作用，并不能提供真正有效的作用。另外，這種結(jié)構(gòu)的室內(nèi)光能采集系統(tǒng)仍需更換電池，從而造成能源的浪費和成本的提高。而當(dāng)分別使用可充電電池（見圖16c）和超級電容（見圖16d）組成的儲能模塊電路時，由于可充電電池和超級電容各自的缺點，兩種結(jié)構(gòu)的電路都存在弊端。如可充電電池組成的儲能模塊電路要正常給電池充電，光伏電池的尺寸必須加倍。而超級電容組成的儲能模塊電路受超級電容自放電率高的影響，以及超級電容的體積將隨容量的增大而增大。NASIRI等[7]發(fā)現(xiàn)不可充電電池與超級電容結(jié)合的儲能電路可以解決超級電容單獨儲能的弊端，且光伏電池和超級電容的尺寸都可以減小（圖16e）。但這種不可充電電池與超級電容結(jié)合使用的儲能電路仍需要定期更換電池，這并沒能從根本上降低成本，并且在物聯(lián)網(wǎng)時代，傳感器將成為硬科技主力。傳感器基本具有體積小和遠(yuǎn)程分布式的特點，更換電池將會帶來極大的麻煩。因此，在光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)的儲能選擇方面，可充電電池與超級電容結(jié)合使用的儲能模塊可能具有良好的發(fā)展前景。

圖16 （a）光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；（b）基于無儲能模塊的光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；（c）基于可充電電池儲能模塊的光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；（d）基于超級電容儲能模塊的光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；（e）基于不可充電電池與超級電容混合儲能模塊的光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[7]

4 物聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)與前景

物聯(lián)網(wǎng)的目的是萬物互聯(lián)，并在各個方面提高用戶的生活質(zhì)量[80]。目前，實施這個宏偉計劃面臨的最主要挑戰(zhàn)之一是需要足夠的能源，使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠以自給自足的方式運作網(wǎng)絡(luò)，且不影響服務(wù)質(zhì)量[81]。因此，提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能效和壽命勢在必行。本文概述的光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)能夠在未來很好地解決這一問題，通過高效率地將室內(nèi)豐富的光能轉(zhuǎn)化為電能，并儲存在超級電容與可充電電池結(jié)合使用的儲能模塊中，為室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供源源不斷的能量。

5 結(jié) 論

針對室內(nèi)光能采集系統(tǒng)，總結(jié)了DSSCs、PSCs、OPV三種光伏電池在弱光方向的發(fā)展，指出帶隙與光源相匹配的光伏器件具有成為未來室內(nèi)光伏電池的潛力。對CdTe和GaAs兩種光伏電池的分析結(jié)果表明，具有較高并聯(lián)電阻、不受弱二極管效應(yīng)影響的光伏器件具備良好弱光性能的潛力。在室內(nèi)光能采集系統(tǒng)的MPPT控制技術(shù)選擇方面，分析了各類主流MPPT技術(shù)的優(yōu)缺點，發(fā)現(xiàn)具有低功耗、易實現(xiàn)和低成本的開路電壓比例系數(shù)法有可能成為光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)的最佳選擇。各種儲能方式的優(yōu)缺點分析結(jié)果表明，可充電電池與超級電容結(jié)合使用的儲能電路將具有良好的發(fā)展前景。本綜述可為現(xiàn)階段國內(nèi)光伏電池室內(nèi)光能采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)提供參考。

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Research Progress and Prospects of Photovoltaic Cell Indoor Light Energy Harvesting System

ZHU Shu-sheng1,3, ZHANG Cui-ling1, FANG Jian-hai2, LIU Chong1, LI Yang3, WU Shao-hang1, MAI Yao-hua1

(1. Institute of New Energy Technology, College of Information Science Technology, Jinan University, Guangzhou 510632, China; 2. Guangzhou Beihuan Intelligent Transportation Technology Co., Ltd., Guangzhou 510030, China; 3. College of Applied Physics and Materials, Wuyi University, Jiangmen 529000, Guangdong, China)

There will be a huge number of indoor internet of things (IoT) devices with the advent of the 5G era. Although most indoor IoT devices were low-power products, they were usually distributed and required regular replacement of power supply equipment, which inevitably led to increase cost and inconvenience. Environmental energy harvesting technology can solve this problem. The light energy in the environment was one of the most worthy of development and utilization of energy. The photovoltaic cell indoor light energy harvesting system achieved the purpose of powering indoor low-power IoT devices by harvesting ambient light energy and converting it into electrical energy. In this paper, a brief overview of the main issue on how to maximize the time of the photovoltaic cell indoor light energy harvesting system to power indoor low-power IoT devices was provided from three aspects including high-efficiency collection of indoor light energy, maximum power point tracking and energy storage options. Firstly, a scheme of high-efficiency harvesting indoor light energy was proposed by comparing and analyzing the influence of the band gap value, the size of the series and shunt resistance and the types of cell on the weak light performance of the photovoltaic cell. Secondly, the open circuit voltage proportional coefficient method was pointed out that it may be most suitable for the maximum power point tracking of photovoltaic cells in indoor scenarios by analyzing and discussing various maximum power point tracking technologies from the aspects of working principle, advantages and disadvantages and technical characteristics. Finally, the advantages and disadvantages of supercapacitors and rechargeable batteries were analyzed and discussed. It was pointed out that the energy storage module combining rechargeable batteries and supercapacitors may be a promising development in terms of energy storage options for photovoltaic cell indoor light energy harvesting systems. This work may provide a reference direction for further advancing the design of indoor light energy harvesting system.

photovoltaic cells; indoor light energy; maximum power point tracking; energy storage; harvesting system

2095-560X（2020）06-0502-16

TK01+9

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2020.06.008

朱樹盛（1993-），男，碩士研究生，主要從事光伏電池弱光應(yīng)用的研究。

吳紹航（1987-），男，博士，副研究員，主要從事有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池的研究。

麥耀華（1976-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事硅基太陽電池、鈣鈦礦太陽電池、硫系薄膜太陽電池和鋰電池等方向的研究和產(chǎn)業(yè)化工作。

2020-08-31

2020-10-30

新型光伏智能交通構(gòu)件研發(fā)及其應(yīng)用示范項目；國家自然科學(xué)基金青年項目（62005099）

吳紹航，E-mail：wushaohang@jnu.edu.cn；麥耀華，E-mail：yaohuamai@jnu.edu.cn