模仿植物光合作用的“染料敏化太阳能电池”将完全淘汰...

Exeger Powerfoyle太阳能电池可以捕捉室内和室外的光线，并在许多小工具上首次亮相，从自行车头盔和遥控器到耳机和物联网设备。总部位于斯德哥尔摩的Urbanista的“Los Angeles”耳机可以利用户外和室内光线进行充电。一名工人正在将一个装满Ambient Photonics太阳能电池的托盘装入一个自动测试机中。自动测试机将对这些太阳能电池进行一系列测试，以检查其性能。



经过数十年的努力，消费电子公司正在推出一种模仿植物光合作用的太阳能技术。这项技术允许设备在室内充电，并且在某些情况下，甚至在某些情况下可以完全淘汰电池。

这种新型的采光技术与屋顶和太阳能农场中常见的基于晶体硅的太阳能板，以及曾经普遍存在的太阳能计算机上的非晶硅电池都完全不同。它基于化学家在1960年代首次探索并在1980年代转变为可操作的太阳能电池的原理。直到现在，才足以满足消费应用的大规模生产版本出现，使得主流市场可以采用。

现在，包括Ambient Photonics和Exeger在内的公司都提供这种称为“染料敏化太阳能电池”的太阳能电池。它们重量轻、可弯曲、采用常见材料，并且可以通过一种印刷过程廉价制造。夏普公司也在研发染料敏化太阳能电池，虽然它们的版本是刚性的，并使用与制造LCD面板相同的设备。

在今年于拉斯维加斯举行的全球最大消费电子展CES上，这些薄薄且通常可弯曲的电池出现在耳机、耳塞盒、对讲机式耳机、键盘、鼠标和电视遥控器上，可见市场对其的热烈期待。未来，这些太阳能电池可能会出现在一系列应用中，包括门锁、电子货架标签，最终甚至可能成为“物联网”一部分的数百万甚至数十亿个网际网络连接传感器。

过去，太阳能驱动的小工具大多是一个噱头，原因很简单： 传统的硅基太阳能电池虽然可以将阳光转换为电能， 但在室内光线下进行同样操作的效率并不高。英国纽卡索大学的化学教授玛丽娜·佛瑞塔格（Marina Freitag）表示，因此，我们许多人记得的那些计算机上的太阳能电池，只能将照射在它们上面的能量中一小部分转化为电能。



然而，染料敏化太阳能电池却不同。它们可以利用室内光线，甚至是微弱的荧光灯光线，产生电能。 佛瑞塔格说，这意味着它们可以在各种情况下为小型电子设备供电，而无需插入电源插座或更换电池。

例如，Ambient Photonics公司今年在CES上展示了一款使用其太阳能电池的耳机，该耳机的电池续航时间可延长50%。Exeger公司则展示了一款太阳能键盘，据称键盘上的太阳能电池可以在室内灯的照射下为键盘供电一年。

这些只是冰山一角。专家表示，染料敏化太阳能电池有潜力彻底改变我们与电子设备的互动方式。例如，想象一下永远不需要更换电池的门锁，或者永远不需要充电的遥控器。

当然，这项技术还处于起步阶段。染料敏化太阳能电池的效率仍然没有传统硅基太阳能电池那么高，而且它们在强光下也不像硅基电池那样高效。然而，随着这项技术的发展，这些缺点可能会被克服。

总而言之，染料敏化太阳能电池代表着太阳能技术的一项令人兴奋的进步。这项技术有潜力为我们日常生活带来便利，并帮助我们减少对化石燃料的依赖。

新型的染料敏化太阳能电池的运行方式与传统的硅基太阳能电池完全不同。它们以类似植物的方式捕获能量，因此可以利用来自几乎任何角度的光线。针对室内光线，佛瑞塔格博士使用这些电池取得了38%的转换效率，是该技术的历史记录。这意味着，每平方英寸，这些电池可收集能量是电子计算机原本硅基电池十倍以上。

即使在光线不太明亮的房间里，染料敏化太阳能电池也能捕获和转换前所未有的能量，在能量收集技术中无出其右。这些竞争技术（在某些情况下是互补技术）包括系统尝试从无线电波、振动和微小温差中“汲取”能量，为传感器和其他设备供电。

新一代太阳能小工具的另一个关键因素是，工程师们正在提高消费电子产品的能源效率。例如，现在可以制造不用插电插座充电的耳机。

以斯德哥尔摩的Urbanista第二代“Los Angeles”耳机和“Phoenix”耳塞为例，这些设备将于今年晚些时候上市，均可使用Exeger的Powerfoyle太阳能电池，无论室内外都能通过捕获光线进行充电。这不仅仅是延长电池寿命的噱头。有些人根据他们的使用频率，报告说完全不需要从插座为这些设备充电。（附带的应用程序会显示充电量以及放在窗台上、灯下或头顶时充电速度，这很有帮助。）



要达到目前的状态，Urbanista产品总监Mårten Sahlén表示，需要挤压出这些设备每个部分的效率。一个亟待改进的领域是耳机盒上的太阳能板和耳机本身之间的能量损耗。（在每个电子系统中，在电子传输过程中都会损失一些能量。）第二代耳机还使用更省电的蓝牙芯片进行连接。

Urbanista的设备以及来自3M的类似产品（推出使用Exeger太阳能电池的对讲机式耳机）仍然包含可充电电池。但对某些设备而言，加入这一代新型太阳能电池意味着完全淘汰电池。

例如，来自Universal Electronics的“Eterna”遥控器使用来自Ambient Photonics的电池以及一个小的“级电容器”，它比电池更便宜、更轻，而且需要的材料更少。Ambient Photonics最近还宣布与Google合作，将在2024年生产一款设备。Google尚未透露这些设备会是什么，但遥控器似乎是一个合乎逻辑的首选。

考虑到它们经常消失在沙发软垫里，而且它们所在的房间通常光线昏暗，遥控器似乎是最后一个你希望使用太阳能的设备。对于旧的太阳能电池技术来说，这肯定是真的，但新型电池收集的能量更多，遥控器只需暴露在光线下几秒钟就可以从完全没电变成可用状态，ONiO首席执行官克耶蒂尔·梅萨尔（Kjetil Meisal）表示，ONiO为物联网和其他设备制造低功耗芯片。他补充说，这一发展的重要因素是使用ONiO之类的超低功耗芯片。



随着新一代高效室内太阳能电池的问世，各种电子设备不再需要充电或更换电池的未来似乎指日可待。想象一下永远不用再反转Apple Magic Mouse来充电，或者无线键盘或耳塞永远不会在工作日的中途没电，那是多么美妙的事！高效率室内太阳能电池的真正变革性应用可能出现在我们目前尚未使用的设备中，因为为它们供电往往很繁琐。

采用更多智能家居设备以及其他传感器和执行器的一个重大障碍是，它们都需要直接电力供应或需要更换的电池。例如，酒店房间门上的电子锁或我们家中的同类设备，大多数都包含需要定期更换的电池。但是，由于这些设备使用频率低，而且整天都暴露在光线下，因此非常适合使用染料敏化太阳能电池，Ambient Photonics首席执行官Bates Marshall表示。

想象一下这种场景：你想在房间里加入一个新的电灯开关。过去，你可能需要聘请电工在墙上打洞，将新电线连接到开关盒并安装开关本身。未来，兼容即将与连接设备配合使用的无线通信标准的太阳能开关可以放置在任何你喜欢的地方，无论是家中的任何房间，只需使用一些可移除的黏合剂即可固定在墙上。

将这种场景乘以你所能想象的每个工业和商业环境中可能使用的所有传感器和开关的可能组合，你就会开始明白一个不起眼的室内太阳能电池可以释放多大的潜力。

然而，仍有一些挑战。人们一想到太阳能充电，首先想到的就是要用太阳能为手机充电，但这是不实际的。手机本质上是功能强大的口袋超级计算机，至少使用六种以上不同的协议进行无线通信，即使采用这种新技术，仅靠室内光线为普通的智慧手机供电，也需要一个桌面大小的太阳能电池板。

总而言之，高效率室内太阳能电池的出现代表了太阳能技术的一项令人兴奋的进步。尽管目前仍存在一些挑战，但该技术有望彻底改变我们与电子设备的互动方式，并为各种新设备和应用打开大门。