研究背景：
当前全球物联网（IoT）节点数量已达170亿，主要依赖电缆或电池供电，导致高维护成本及断电时数据丢失风险。自维持物联网节点虽能解决上述问题，但面临能源供应不稳定、能量利用效率不足等挑战。钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其可调带隙、高吸收系数及优异的低光环境效率（理论值达60%），成为适配多变光照条件的理想能源方案。然而，现有光伏系统在复杂环境（如室内弱光、阴雨天气）下的稳定供电能力不足，且缺乏集成传感、储能与无线传输的高度整合系统，阻碍了自维持IoT节点的实用化发展。
近日，大连理工大学史彦涛&银冰课题组开发了柔性钙钛矿太阳能模块（FPSM）驱动的自维持物联网节点（SSN）。研究采用p-i-n型钙钛矿异质结结构，通过聚烯烃弹性体（POE）封装提升器件柔性及环境稳定性；集成动态最大功率点跟踪（MPPT）与自适应储能模块，优化能量循环效率；进一步结合PEDOT:PSS基温湿度传感器与低功耗无线通信技术，构建无线传感网络。系统可自主执行环境监测与设备控制（如温度阈值触发家电调控），验证了其在智能家居中的闭环管控能力，为无源物联网节点开发提供了新策略。（图1）
图1 基于钙钛矿太阳能电池的自维持物联网节点的概念图
图2 FPSM-SSN组装示意图
FPSM-SSN系统采用紧凑且可折叠的设计，总表面积为24平方厘米，由两个主要部分组成：FPSM能量供应模块和SSN检测系统。FPSM模块包含三个串联的子电池， SSN检测系统包括电源管理模块、信息采集与处理模块以及无线通信模块。在光照条件下，FPSM持续发电并通过电源管理模块为SSN供电，SSN采集环境信息并通过Zigbee模块将数据无线传输到用户界面，实现24小时不间断的环境监测和数据传输。
图3 FPSM-SSN能量转换框架
FPSM-SSN系统的能量转换架构如图3所示。FPSM在400-800 nm范围内有高效载流子收集能力。在不同光照条件下（如2700K、4000K和6500K），FPSM展现出优异的光电转换效率。FPSM-SSN系统通过最大功率点跟踪（MPPT）模块实时调整输出电压，优化能量输入，并采用“收集-存储-利用”的能量转换框架，确保在低光照或无光照期间的持续运行。SSN系统使用内部升压和降压转换器来管理能量存储和分配，同时通过Zigbee通信模块实现低功耗的无线数据传输。
图4 FPSM-SSN信息采集检测
研究中开发了两种基于PEDOT:PSS的电阻性传感器，分别用于温度和湿度检测。这些传感器可以通过喷墨打印技术与SSN模块无缝集成。在夜间无光照条件下，FPSM-SSN能够在30秒的传输间隔下保持低功耗信息采集，并通过电容器模块实时监测电压值，实现了长达13小时的夜间自给式检测。这些结果表明，FPSM-SSN系统在智能家居和智能城市应用中具有稳定、准确的自给式信息采集能力。
图5 FPSM-SSN空间信息采集与智能家居控制
作者展示了FPSM-SSN系统在不同环境中的网络化监测能力，包括室内、室外和无人机上的应用。系统在这些位置实现了对温度和湿度的稳定、准确的网络化监测。此外，图5b，c还展示了FPSM-SSN系统在24小时内的长期网络化监测能力，其测量结果与官方天气报告高度一致，表明系统在不同环境中的可靠性和精度。最后，图5d，e还展示了FPSM-SSN在智能家居控制中的应用潜力，通过与数字开关集成，系统能够根据环境温度变化自动控制家用电器，如电风扇，从而实现智能家庭控制。
该研究通过材料创新与系统集成策略，成功开发了基于柔性钙钛矿太阳能模块的自维持物联网节点（FPSM-SSN）。FPSM-SSN采用p-i-n结构钙钛矿电池与聚烯烃弹性体封装技术，显著提升了模块的机械稳定性与环境耐受性；集成智能最大功率点跟踪（MPPT）算法与自适应能量管理电路，实现复杂光照条件下的高效能量捕获与连续供电；结合喷墨印刷的PEDOT:PSS温湿度传感阵列与低功耗Zigbee通信模块，构建了集能源供给、环境感知与无线传输于一体的闭环自维持系统。该工作以“All Irradiance-Applicable, Perovskite Solar Cells-Powered Flexible Self-Sustaining Sensor Nodes for Wireless Internet-of-Things”为题发表于《Advanced Functional Materials》。大连理工大学博士生韩文骐为论文第一作者，史彦涛教授和银冰副教授为通讯作者，研究获国家自然科学基金委、化学学院和精细化工国家重点实验室的支持。
该成果是史彦涛&银冰课题组在柔性光伏与自供能系统领域的重要突破之一。如何实现光伏器件的柔性化设计、能量管理的智能优化与传感通信的功能集成，是构建实用化自维持节点的核心挑战。课题组近年来围绕钙钛矿光伏技术开展了系统性研究：①高效能源模块设计：开发柔性钙钛矿太阳能模块（FPSM），采用p-i-n结构，封装于聚烯烃弹性体（POE）中，具备耐水性和机械稳定性。②智能能量管理：集成最大功率点跟踪（MPPT）模块，动态优化能量输入；结合升压/降压转换器与电容模块，实现“收集-存储-利用”能源循环，确保夜间或低光环境连续供电。③多功能传感与无线传输：SSN整合温湿度传感器（基于PEDOT:PSS复合材料）、低功耗Zigbee通信模块，支持无线数据传输（传输频率可调，最低功耗200 μA）。④智能家居应用验证：SSN作为智能家居控制中心，通过温湿度反馈自动调控家电（如温度>35°C时启动风扇），展示自维持系统的闭环控制能力。
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202425697
