立足5G新基建：室内光伏助力物联网产业加速发展

1. 物联网技术

设备通信能力的发展促进了无线传感网的进一步扩展，这种扩展突破了原有的互联网范畴，用户通过接口技术实现对物理设备的访问，但应用环境不同，接口技术也不同，为了同时实现对不同场景的管理，物联网便诞生了。当前物联网已成为全球新一轮科技革命与产业变革的重要驱动力。随着技术不断发展，物联网已悄然渗透到人们日常生活中，在家居、交通、物流、医疗健康等多个领域发挥显著作用。[1]

图1 物联网智慧城市建设[2]

新型基础设施，一般认为包括 5G、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网、物联网等领域。这些领域，中国有巨大的发展空间。区别于传统基建，“新基建”更加注重数字化、智能化等硬核科技。作为重要的基础产业和新兴产业，“新基建”一头连着巨大的投资与需求，一头牵着不断升级的强大消费市场，是中国经济增长的新引擎。仅就5G网络建设来说，通过培育繁荣的互联网经济、人工智能、数字经济等新技术产业，就将间接带动数十万亿元的经济总产出，为抢占全球新一代信息技术制高点奠定坚实的基础。[11]

图2 什么是新基建（图源：人民网）

物联网(Internet of Things, IoT) 技术是指在互联网的基础上，利用无线数据通信技术、射频识别技术等构建一个以实现物与物，人与物的智能化连接系统。具体来讲是通过各种信息传感器、定位系统、红外感应设备等按规定的协议实时采集需要监控的物体或过程信息。

物联网的体系架构可分为3层：感知层负责实现对外部事物的识别和感知进行数据的收集;网络层实现感知信息的传递和处理并保证信息的可靠性和安全性;应用层是将用户所需要的信息以便于用户了解的应用软件形式展现出来或直接实现用户的目的。[3]物联网的发展前景非常广阔，可以实现多领域的智能化，如智能家居、智能驾驶、智能医疗等。

图3 立足于5G新基建的物联网产业应用前景广阔（图源：凤凰网）

2. 物联网发展现状

在我国，物联网概念的前身是传感网。中国科学院早在1999年就启动了传感网技术的研究，并取得了一系列的科研成果。2009年以后，国内出现了对物联网技术进行集中研究的浪潮;2010年物联网被写入了政府工作报告，发展物联网提升到发展战略高度。“十二五”时期，我国在物联网发展政策环境、技术研发、标准研制、产业培育以及行业应用方面取得了显着成绩，物联网应用推广进入实质阶段，示范效应明显;“十三五”规划纲要明确提出“发展物联网开环应用”，将致力于加强通用协议和标准的研究，推动物联网不同行业不同领域应用间的互联互通、资源共享和应用协同。近年来，在“中国制造2025”、“互联网+”等战略带动下，物联网产业呈现蓬勃生机。

图4  中国消费级物联网销售额全球占比[2]

2020年，中国进入5G商用第二年，5G和物联网同为“新基建”的重点相关领域，二者的融合碰撞出非凡的火花。5G以超高速率、可靠连接和超低时延特性，成为面向未来创新的统一连接架构，赋能更加广泛的物联网场景，为千行百业带来全新价值。[4]

根据GSMA Intelligence的数据，中国已成为全球最大的物联网市场，在全球15亿蜂窝网络连接中占比64%。根据麦肯锡在2019年发布的预测，到2023年，全球联网终端数量将超过430亿。

3. 室内光伏

室内光伏是将室内环境中的光能转化为电能的技术，与太阳能光伏不同，室内光源所发射的光伏主要位于可见光，并且光强远低于太阳光，对光伏材料与器件的要求与太阳能光伏不同。

图5  室内光源与太阳光的光谱差异[5]

室内光伏器件的种类主要包括硅基太阳能电池、DSSCs、III-V 太阳能电池、OSCs 和 PSCs。对于商业应用，设备的光伏特性是最关键的，其他因素如成本、毒性和稳定性更是重要的选择标准。这些因素对其产生了不同的影响，促进或限制了其商业可用性。

目前，国内外研究人员均对室内光伏器件的发展进行了大量的研究工作。由Marina Freitag领导的一个研究小组开发了基于铜复合电解质的染料敏化太阳能电池，在1000 lux室内光强下，光电转化效率达到34%。香港科技大学的颜河教授于2020年报道了基于PM6:Y6-O的有机室内光伏电池，在1000勒克斯室内光下，其光电转化效率也达到了31.1%。各类室内光伏电池的发展蒸蒸日上，而根据文献报道，IPV电池的理论极限效率为52%，具有较大的发展空间。[6,7]

到目前为止，已经实际商业化和工业规模的室内应用光伏技术大多数基于硅材料和染料敏化的技术。如 WSL Solar，Solems，Ricoh，Gcell，和 3G Solar 都是该领域的知名厂商。特别是他们生产的a-Si和染料敏化的电池和模块性能良好，可以在低照幅20勒克斯的光强度下为简单的设备如手表、计算器、传感器等供电。

4. 室内光伏技术的应用

早期光伏电池用于极低功率但相对昂贵的设备，例如昂贵的手表等。随着技术的不断进步，光伏电池的成本在降低，性能在提升，现在我们可以轻松地驱动一系列电子设备，包括无线传感器、射频识别(RFID)或蓝牙设备。

图6 低功耗电子设备的数量与成本的发展历史[8]

这些新设备的大部分是物联网生态系统的一部分，该系统通过建立大型连接设备网络，收集大数据，从而对我们的医疗、制造、基础设施和能源工业进行监控和优化。预计未来十年将安装数十亿个无线传感器，其中近一半将位于建筑物内。[8] 目前，使用电池为这些设备供电具有明显的缺点，它会限制数据传输的范围、电池需要及时更换，应用范围有限，会产生额外的操作和维护费用。

室内光伏发电(IPVs)是实现物联网生态系统自供电的最理想能源，能够在无线传感器网络中实现更低的操作成本与更长的使用寿命。通过使用IPV电池获取环境光，为单个节点持续供电，使得越来越多的无线技术和设备正成为可能。为了实现物联网生态系统的愿景，需要将数十亿个传感器节点连接到网络，应用的关键取决于单个节点运行功率。最近在节能硬件和低功耗协议方面的研究解决了这一问题，提高能源效用，以增加网络覆盖，减少延迟，最小化功率浪费，并提高数据可靠性。[9]从图中可以清楚地看出，我们已经实现了多种无线技术的设计与操作，使它们的平均功率低于室内光伏模块的平均功率，从而在室内环境中实现物联网节点的持续工作。

图7 物联网协议的功率需求与IPV的预期功率输出[9]

5. 室内光伏技术的发展前景

2017年，全球IPV电池市场为1.4亿美元，与同年全球太阳能电池市场超过1000亿美元相比明显较低。然而，受物联网硬件市场的增长推动，IPV的市场规模具有重大发展潜力，到2023年预计可达到8.5亿美元，比当今市场规模同比增长70%，有潜力成为所有非传统光伏中增长最快的领域。[10]鉴于室内环境光收集的条件以及对电池的独特需求电池需求，该市场为光伏制造商提供了一个重要的机会，使其进入具有更高利润率的市场，并丰富光伏产业的多样性。

图8 室内光伏市场规模发展[9]