《Solar Energy》：Engineering strategies for high-efficiency indoor perovskite energy harvesters and low-current energy storage systems: a comprehensive review
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摘要室内钙钛矿能量收集系统在微安级输出以及非恒定的室内光照条件下运行，其系统行为取决于光伏能量收集器、低电流能量存储单元和功率管理模块之间的相互作用，而非单个设备的性能指标。在如此能源受限的条件下，能否建立并维持有效的运行状态便成为区分室内光伏系统与传统光伏研究的关键特征。本综述
摘要
室内钙钛矿能量收集系统在微安级输出以及非恒定的室内光照条件下运行，其系统行为取决于光伏能量收集器、低电流能量存储单元和功率管理模块之间的相互作用，而非单个设备的性能指标。在如此能源受限的条件下，能否建立并维持有效的运行状态便成为区分室内光伏系统与传统光伏研究的关键特征。本综述从能量收集、能量存储和能量管理的角度，梳理了室内钙钛矿能量系统的最新进展，重点探讨宽禁带钙钛矿光伏材料、低电流存储技术以及功率管理策略如何共同决定系统级的能量利用效率。同时，还从实际室内环境出发，评估了不同层面优化措施的实际应用价值及其固有局限性。此外，本文还分析了光伏-存储接口以及功率管理电路中的系统适配问题，并介绍了相关的耦合模式、运行特性以及应用实例。总体而言，本综述展现了室内钙钛矿能量系统正从孤立的概念验证走向具有更高工程应用价值的架构。
引言
随着室内物联网技术及各类传感技术的快速发展，电子系统正朝着高度分布式、微型化以及长期自主运行的方向发展[1]、[2]、[3]。目前，大量低功耗电子节点——包括环境传感器、可穿戴设备以及生物医学监测装置——已被广泛部署在室内环境中（图1a）。由于这些设备难以维护，因此实现可持续、无需维护的能源供应已成为大规模应用的关键瓶颈[4]、[5]。而基于一次性电池或需定期更换的电池的传统供电方案越来越不可行，因为它们不仅会增加维护成本，还会限制部署密度，并缩短设备的使用寿命[6]、[7]、[8]。
室内电子节点的能耗需求差异很大，从纳瓦级到毫瓦级不等，这取决于其功能复杂度和工作周期（图1b）。在这种能源需求背景下，就需要具备在低光照强度和低电流条件下仍能提供稳定输出的能量供应方案，因此环境能量收集技术便成为一种重要的解决方案[13]、[14]。在各种可行的能源来源中，室内光线因其时间稳定性、普遍存在性以及与固态集成技术的兼容性而尤为值得关注[15]、[16]。然而，典型的室内光源具有较窄的可见光谱范围（400–700纳米），且其光照强度远低于室外的AM 1.5G标准光源（图1c），这就导致了传统窄带隙光伏材料在光谱匹配和能量吸收方面的不足[17]、[18]、[19]。
在此背景下，钙钛矿太阳能电池在室外和室内光照条件下均表现出了优异的性能。目前，单结钙钛矿太阳能电池在AM 1.5G光照条件下的认证功率转换效率已超过27%，而在1000勒克斯的光照强度下，其室内功率转换效率也可达到40%以上[20]、[21]、[22]。这种跨环境条件的优势源于带隙匹配：室内光照条件所需的最佳带隙约为1.8–1.9电子伏特，远高于室外条件下的约1.3–1.5电子伏特，这一特点为宽禁带钙钛矿在室内应用提供了坚实的理论基础（图1d）[23]。在过去十年中，宽禁带钙钛矿在效率提升和性能上限方面均超越了其他同类室内光伏技术[24]、[25]、[26]，而且相关研究数量也在迅速增加，这表明研究重点正从单一设备的演示转向系统层面的探索[24]、[25]、[26]。
尽管取得了如此快速的进展，但目前室内应用领域的效率标杆仍以含铅钙钛矿为主。由于含铅吸收剂可能会被大量应用于家庭、办公室、医疗机构、教育场所以及可穿戴设备中，因此这类材料会给室内光伏系统的材料安全及产品生命周期管理带来诸多问题。因此，基于锡、锑、铋以及银-铋化学体系的无铅卤化物钙钛矿及类似结构的吸收剂便成为一种重要的替代材料。评价这类材料的价值时，不应仅看它们是否已达到含铅材料的效率水平，还应考虑它们在降低铅相关风险的同时，能否为低功耗室内电子设备提供足够的电压、输出功率、运行稳定性以及光谱匹配能力[27]、[28]、[29]。
近年来已有几篇综述为室内光伏研究奠定了重要基础。Srivishnu等人总结了多代室内光伏技术，包括晶体硅、非晶硅、薄膜电池、有机光伏、染料敏化太阳能电池以及钙钛矿光伏技术，重点分析了这些技术的应用前景、面临挑战以及市场现状[30]。随后，Kumari等人在《Solar Energy》杂志上发表的综述则更聚焦于基于钙钛矿的室内光伏技术，总结了相关材料与器件的发展情况、当前面临的挑战以及商业化前景[31]。还有其他研究探讨了卤化物钙钛矿器件的设计方法、室内光线的光谱特性与性能测试方法、不同吸收剂之间的竞争关系、无铅材料的应用，以及室内光伏技术在自供电物联网设备中的应用[10]、[32]、[33]。这些研究从材料和器件层面提供了全面的分析视角。不过，尽管其中一些研究提到了能量存储或物联网集成问题，但通常并未将光伏电源、低电流存储单元以及功率管理接口作为一个整体，从微安级且非恒定的室内运行环境出发来研究它们之间的耦合关系。
因此，本综述的独特之处在于，它以系统级的能量可用性而非单个组件的峰值性能作为核心分析依据。具体而言，本文将以下几方面联系起来进行分析：第一，宽禁带钙钛矿能量收集器所具备的弱光电压和电流输出特性；第二，低电流存储单元的电荷接受能力、漏电特性、能量保持能力以及瞬态输出特性；第三，功率管理接口的静态损耗、启动阈值、工作点调节能力以及能量分配功能。基于此，本文分析了光伏-存储接口之间的耦合关系如何影响系统的工作点漂移、阻抗与容量匹配、时间解耦、冷启动能力、间歇性工作模式以及不同任务级别的能量供应情况。这一分析框架突破了以往以单个器件为中心的研究视角，进一步阐明了室内采集到的能量是如何被积累、调控，并转化为可重复使用的感知、通信、显示或待机功能的。
按照这一系统级分析框架，第2节将光伏能量收集器、低电流存储单元以及能量管理接口视为相互耦合的硬件模块进行讨论。第3节则分析了这些模块在微安级工作条件下的耦合行为及能量利用限制，包括工作点稳定控制、参数匹配、冷启动机制、间歇性工作模式以及相关应用实例。第4节则指出了目前系统中还存在的一些工程挑战，并提出了构建可预测、可扩展且具有长久使用寿命的室内自主能源系统的未来发展方向。
章节要点
室内钙钛矿光伏能量系统的关键硬件组件
室内钙钛矿光伏能量系统由三个紧密耦合的硬件模块组成：能量收集模块、能量存储模块以及能量管理模块（图2）。宽禁带钙钛矿光伏能量收集器通过光谱匹配、电压输出以及弱光环境下的稳定运行性能，决定了系统的输入能量范围以及可收集能量的上限[34]、[35]、[36]。而低电流能量存储单元则负责实现能量的缓冲与时间上的存储功能
室内钙钛矿光伏系统的系统级协调与运行机制
室内钙钛矿光伏系统的性能及其实际应用价值，并非由单个硬件的性能指标决定的，而是取决于光伏器件、能量存储单元以及接口芯片在动态运行条件下的系统级协同作用。在低光照强度、非恒定光照以及微安级功率输出的情况下，系统所能实现的运行状态会直接影响能量收集效率、能源供应的连续性以及系统的运行稳定性。
室内光伏系统运行中的系统级挑战
传统的光伏系统架构和功率管理策略主要是为室外应用而设计的，其设计前提是近乎连续的光照条件、在最佳功率点附近稳定的运行状态，以及电源与负载之间的稳态阻抗匹配。在这种条件下，系统性能主要取决于器件的转换效率、最大功率点跟踪的精度以及长期能量平均值，因此短期的性能波动对系统整体性能的影响相对较小
关于生成式AI及AI辅助技术的声明
作者声明，在撰写本论文的过程中，没有使用任何生成式AI或AI辅助技术来生成科学内容、数据分析结果、图表、文献解读内容或最终结论。作者仅使用ChatGPT（OpenAI；访问时间为2026年7月）来协助文章的组织结构整理以及英文表达的润色工作。本文的所有内容、科学判断以及最终表述均经过所有作者的审核与确认。
CRediT作者贡献说明
戴乐天：论文撰写——综述与编辑、研究指导、项目管理、资金申请、概念构思。陈万如：论文撰写——初稿编写、数据可视化、结果验证、定量分析、数据整理。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国湖北省自然科学基金 [项目编号：2023AFB353]以及光学谷实验室创新项目 [项目编号：OVL2023PY004]的资助。”后补充一句：“本研究实际上是由中国湖北省自然科学基金 [项目编号：2023AFB353]以及中国光学谷实验室创新项目 [项目编号：OVL2023PY004]提供的资金支持。
戴乐天|陈万如
