NIST研究人员Andrew Shore拿着一个微型高效太阳能装置，用室内光线作为能源为传感器充电。信用:NIST任何时候你在家里或办公室开灯，你都是在消耗能量。但是如果扳动电灯开关也意味着产生能量呢？我们通常会想到固定在屋顶上的太阳能电池，将阳光转化为电能，但将这种技术引入室内可能会进一步提高建筑的能效，并为烟雾报警器、摄像头和温度传感器等无线智能技术(也称为物联网设备)注入活力。现在，美国国家标准与技术研究所(NIST)的一项研究表明，一种直接捕捉室内光线的方法可能触手可及。NIST的研究人员测试了由不同材料制成的小型模块化光伏设备的室内充电能力，然后将由硅组成的最低效率模块连接到无线温度传感器上。
该团队发表在《能源科学与工程》杂志上的研究结果表明，硅模块只吸收来自发光二极管的光，提供的功率大于传感器在运行中消耗的功率。这一结果表明，该设备可以在灯亮着的情况下持续运行，这样就不需要有人手动更换或给电池充电了。
该研究的主要作者、NIST机械工程师安德鲁·肖尔(Andrew Shore)表示:“该领域的人们一直认为，从长远来看，用光伏组件为物联网设备供电是可能的，但在此之前，我们还没有真正看到支持这一点的数据，所以这算是我们能够成功的第一步。”。
大多数建筑物白天都是由太阳和人造光源混合照明的。黄昏时，后者可以继续为设备提供能量。然而，来自普通室内光源的光，如发光二极管，其光谱比太阳发出的更宽的波段更窄，一些太阳能电池材料比其他材料更擅长捕捉这些波长。
为了弄清楚几种不同的材料是如何叠加在一起的，肖尔和他的同事测试了由磷化镓铟(GaInP)、砷化镓(GaAs)——两种面向白光发光二极管的材料——和硅制成的光伏微型模块，硅是一种效率较低但更便宜、更常见的材料。
研究人员将厘米宽的模块放在白色发光二极管下面，装在一个不透明的黑盒子里，以阻挡外部光源。在整个实验过程中，发光二极管产生的光的固定强度为1000勒克斯，相当于光线充足的房间中的光线水平。对于硅和GaAs光伏组件来说，在室内光线下浸泡被证明不如阳光有效，但盖恩普组件在发光二极管下的表现远远好于阳光。GaInP和GaAs模块都显著超过了室内硅，分别将23.1%和14.1%的发光二极管光转换为电能，而硅的功率转换效率为9.3%。
NIST研究人员在人造光下测试了由三种不同材料制成的微型太阳能组件。模块(从左到右)由硅、砷化镓和磷化铟镓制成。功劳:NIST对研究人员来说并不意外，充电测试的排名是一样的，测试中他们计算了模块充满半充电的4.18伏电池需要多长时间，最后一批进入的是硅，相差超过一天半。
Shore说，尽管硅模块相对于顶级竞争对手的性能较差，但该团队有兴趣了解它是否能产生足够的电力来运行低需求的物联网设备。
他们为下一个实验选择的物联网设备是一个温度传感器，他们将其连接到硅光伏模块，再次放置在发光二极管下方。当打开传感器时，研究人员发现它能够将温度读数无线传送到附近的计算机，该计算机仅由硅模块供电。两个小时后，他们关掉了黑匣子里的灯，传感器继续运行，电池电量消耗为充电速度的一半。
“即使使用效率较低的微型模块，我们发现我们仍然可以提供比消耗的无线传感器更多的电力，”Shore说。
研究人员的发现表明，户外光伏组件中已经无处不在的材料可以重新用于低容量电池的室内设备。结果特别适用于昼夜开灯的商业建筑。但是，光伏发电设备在白天间歇性点亮或晚上关闭的空间中运行得如何呢？外界的光线会有多大的影响？家庭和办公场所毕竟不是黑匣子。
肖尔说，该团队计划解决这两个问题，首先在NIST的净零能量住宅测试设施中设置光测量设备，以了解普通住宅一天中有哪些光线可用。然后，他们将在实验室中复制净零屋的照明条件，以了解光伏供电的物联网设备在住宅场景中的表现。
将他们的数据输入计算机模型，对于预测在一定光照水平下光伏组件在室内产生的功率也很重要，这是该技术经济高效实施的关键能力。
肖尔说:“我们一直在开灯，随着我们越来越多地走向计算机化的商业建筑和家庭，光伏可能是一种收集一些浪费的光能并提高能效的方式。
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