太陽能電池如何提升室內物聯網裝置的可靠性？

從智慧建築感測器到資產追蹤器的眾多室內物聯網裝置，都仍依賴一次性電池，因為在設計上較簡單。然而，這種依賴性帶來諸多挑戰，包括有限的壽命、維護負擔、運作的停機時間以及環境問題。這些因素加總後會直接影響物聯網裝置的可靠度。

電池的頻繁更換不僅耗時且效率不良，這與物聯網想達成自主性且持續運作的願景背道而馳。因此，為了增進可靠性、降低維護成本並促進大規模部署，必須採用新作法來供電給室內物聯網節點。

根據 Transforma Insights 的一份報告，在物聯網裝置成長下，能源需求預計在 2030 年前增加 34 太瓦時。因此，為了持續供電，使用室內太陽能電池相當重要。此外，也要使用永續材料並避免使用電池，以減少電子廢棄物，並將運算與資料傳輸的能耗降至最低。

近年來，針對室內環境所設計的光電技術，在材料與架構方面經歷了顯著的科技進展。結晶矽是一種適合戶外太陽能板的標準活性材料，其能隙為 1.12 eV。然而，有鑑於典型的室內光源僅會發射可見光範圍，最佳能隙會轉變成 1.9 至 2.0 eV。

因此，結晶矽在室內照明條件下的表現不佳。為了解決此問題，業界已開發出適合室內用途的光採集技術替代方案，包括非晶矽、染料敏化太陽能電池 (DSSC)、鈣鈦礦太陽能電池，以及有機光電池。

圖 1：Panasonic Energy 的 AM-1456CA-DGK-E 非晶矽太陽能電池，採用玻璃基板。(圖片來源：Panasonic Energy)

物聯網用的關鍵室內光電技術

1. 非晶矽 (a-Si) 電池

非晶矽 (a-Si) 是一種成熟的薄膜太陽能技術，具有約 1.6 eV 的光學能隙，接近室內照明應用的最佳值。這是首款納入到低功耗室內物聯網裝置的技術。

由於具有光譜匹配，且在低光度下具有相對較高的開路電壓，非晶矽在一般室內照明條件下的表現優於結晶矽。測試顯示，氫化非晶矽太陽能電池在 LED 室內照明下的效率可達到 21%。

非晶矽式太陽能電池有個關鍵優勢在於，利用氣態等離子來源達到符合成本效益的薄膜製造。如此一來，就可在低成本的柔性基板上製造太陽能電池。

然而，這項技術有個重大限制在於，需要更大的電池面積才能產生與較新技術相同的電力。此外，每個非晶矽電池個別產生的電壓相對較低，因此通常要將多個電池串聯，以達到物聯網裝置所需的電壓。

圖 2：TDK Corporation 的 BCS4430B6 非晶態薄膜柔性太陽能電池，開路電壓為 4.2 V。(圖片來源：TDK Corporation)

2. 染料敏化太陽能電池 (DSSC)

作為新一代的光電裝置，DSSC 的運作原理類似光合作用，透過工作電極上的染料光敏化產生電子，再由電解質透過氧化還原反應進行補充。該染料可進行最佳化，以配合室內光源的發射光譜，因此非常適合室內物聯網應用。

設計此類裝置的另一種作法是透過多維奈米結構，例如結合散射特性的複合式光陽極，以增強光捕捉與電荷收集效果。有篇研究論文表示，可利用新型奈米結構，在極低人造光源 0.014 mW/cm² 下達到 24% 的功率轉換效率。

3. 鈣鈦礦太陽能電池 (PSC)

另一個有前景的室內應用替代方案便是 PSC；此技術最早於 2015 年開始研究。在該研究中，研究人員設計了一個電子轉移層來控制鈣鈦礦活性層中的陷阱與載子動態。結果 PSC 在室內環境中達到 27.4% 的功率轉換效率。

鈣鈦礦是一種可進行溶液製程的半導體材料，能夠調整至理想的能隙 1.8 eV 並具有高光電壓，因此在 LED 和螢光燈照明下具有高效率。鈣鈦礦室內光電 (IPV) 裝置已達到破紀錄的效率。一項 2025 年的研究指出，在1,000 lux 下達到 42% 的功率轉換效率，有史以來最高的紀錄之一。

4. 有機光電 (OPV) 電池

有機光電 (OPV) 技術利用碳基分子作為半導體來吸收光並產生電力。透過分子設計，有機半導體可以量身打造，對可見光譜達到極強的針對性。經過最佳化的室內 OPV 已展示出在低照明下達到接近 30% 的功率轉換效率，可媲美最佳的 DSSC 或鈣鈦礦電池。

憑藉這些特性，OPV 特別適合用於不規則形狀的離散式物聯網部署，因為可以在 PET 塑膠等基板上印刷成薄型的柔性薄膜。已有企業甚至已生產出可彎曲或服貼各種形狀的柔性室內太陽能薄膜。對於物聯網設計人員來說，這表示太陽能電池可以輕鬆整合，例如作為感測器表面上的薄膜，或是裝置內部類似貼紙的電源薄膜。

結論

室內太陽能電池已成為建構自主物聯網系統的關鍵推動技術。透過收集環境光能，這些太陽能電池提供可行的拋棄式電池替代方案，可促成持久且低維護的運作。

材料科學的持續進展，特別是在鈣鈦礦和有機質方面，不斷推升低光照條件下的功率轉換效率水準，更可提供智慧功能