【第六屆鈣鈦礦論壇】從室內光到自供電物聯網：Natalie Flores Diaz 解析環境友善型光電容器

物聯網裝置持續增加，感測器與運算節點若仍依賴大量一次性或難回收電池，能源供應本身將形成新的環境負擔。哥斯大黎加大學 Natalie Flores Diaz 博士以光電容器為核心，說明如何把室內光能採集與超級電容儲能整合於同一元件，並進一步以生物聚合物及農業廢棄物衍生材料改善儲能端。這條研究路徑試圖讓微型電子由定期換電池，走向就地取能、儲能與自主運作。

室內照明不只提供視覺，也是一種分散式能源

室內 LED 與螢光燈的能量密度遠低於日照，但小型感測器的耗電需求同樣有限。Flores Diaz 指出，在約 1,000 lux 的 LED 環境下，每平方公分仍可取得約 300 微瓦的能量，足以支援部分低功耗電子裝置。真正的挑戰不是能否收集這些光，而是如何在光源變動或熄滅後繼續供電。

光電容器（photocapacitor）因此把光伏單元與超級電容結合，使光能先轉換成電能，再立即儲存。團隊採用共享一個電極的三端子架構，利用染料敏化太陽能電池進行室內光採集，並由超級電容提供快速充放電與較長循環壽命。光電容器的價值不只在發電效率，而在於把間歇室內光轉化為可隨時調用的電力。

從單一效率轉向完整系統，量測方式也成為關鍵

早期整合元件在 1,000 lux 下，光伏單元效率約 27%，完整光電容器的整體效率約 18%。六個元件串聯後，在未特別控制的實驗室照明下可提供約 5.3 V；連接物聯網運算節點時，每小時完成的預測次數接近採用商用矽光伏元件組別的四倍。這項結果顯示，室內光源的光譜匹配會直接影響系統可用功率。

Flores Diaz 同時強調室內光伏量測必須交代光源光譜、輻照度、遮罩及掃描條件。團隊觀察到是否使用遮罩，可能使量測效率由約 26% 變為 30%，說明測試設定會顯著影響比較結果。評估室內光伏與儲能整合元件時，必須同時檢視光源條件、儲能表現與實際負載，而非只看單一峰值效率。

生物來源材料，讓儲能端也納入永續設計

回到哥斯大黎加後，團隊把研究重點延伸至環境友善材料。他們以羧甲基纖維素（CMC, Carboxymethyl Cellulose）取代部分傳統聚合物黏結劑，並從農業廢棄物取得澱粉，製成具孔隙的隔離膜，讓電解質離子通過並降低電荷復合。經過配方與製程調整，超級電容達到約 12 F/g，部分元件在約 1,000 次循環中維持穩定。

即使採用效率較低的光伏單元，新型光電容器仍可充電至約 600 mV，維持一夜後再於約 1.5 小時內釋放能量。環境友善型光電容器的目標，是讓取能、儲能與材料生命週期在同一系統中被共同設計。目前成果主要建立於染料敏化太陽能電池，未來若與更高效率的室內光伏及鈣鈦礦元件整合，將有機會擴大自供電物聯網的應用範圍。