室内光伏的 23.6% 是仿真给的：真实室内光谱下还剩多少，以及照度计的读数为什么不能当依据

推荐优先级：高 · 族 B（自建低成本测试台 + 商品器件比对） · 参赛子类：EGSD（Energy: Sustainable Materials and Design），官方子类划分需核实 · 资源需求：总器材 ¥2,000–2,500，全部现货，最长采购周期约 1 周（USB 光谱仪） · 技能取向：光学计量 / I–V 测量 / 不确定度合成

1 · 研究问题

一块按"室内理想带隙"设计的光伏器件，在真实室内光源下的实测效率是多少？更关键的是：同样 500 lux 的暖白 LED、冷白 LED、荧光灯与阴天窗光，同一块电池的输出功率能相差多少倍——如果能相差成倍，那么用照度（illuminance, lux）作为室内光伏的归一化基准这件事本身就是错的。

2 · 研究背景与空白

背景。 室内光伏（indoor photovoltaics, IPV）做的是把室内人工照明与漫射日光转成电，给低功耗物联网节点供电。它与户外光伏的根本差别在于光源：户外有 AM1.5G 这个被全世界接受的参考光谱，室内没有一个同等地位的通用基准（是否已有等效的室内参考光谱标准，需核实，本方案不引用任何未经确认的标准号）。于是绝大多数室内光伏文献用"多少 lux 下效率多少"来报告结果。问题就出在这里：照度不是一个辐射量，它是一个视觉量。 lux 的定义是辐射功率谱密度按 CIE 明视觉光度函数 V(λ) 加权后的积分，V(λ) 峰值在 555 nm，在 400 nm 以下与 700 nm 以上迅速趋近于零。而光伏器件响应的是被吸收的光子数乘以量子效率：单晶硅的响应一直延伸到约 1100 nm，非晶硅大致截止在 700 nm 附近，宽带隙器件更窄。一份在 780 nm 以上的辐射，对照度计的贡献是零，对硅电池的贡献不是零。 因此"同样 500 lux"这句话，对人眼是同一件事，对光伏器件根本不是同一件事——卤素灯的近红外份额与白光 LED 完全不同，两者在同一照度下给电池的可用辐照度可以差出成倍。这不是一个新发现，它是光伏计量的常识；新的是从来没有人在中学生项目的尺度上把它量出来，并给出一张可以直接拿去用的换算表。

已有工作到哪一步。 EGSD037（2025, Grand Award, "Dual Doping Strategies of Lead-Free Indoor PVs"） 用 FA₃Bi₂I₉ 做无铅室内光伏，通过 HI 加成把前驱体溶解度从 0.5 M 提到 1.1 M、用银取代甲脒，得到 "The refined bandgap of 2.14 eV, precisely within the ideal indoor range (1.8–2.4 eV)"，并报告 "simulation-based power conversion efficiency achieving an exceptional 23.6%" 与 "Advanced stability trials under 85% RH and 85°C confirmed 100-hour operational durability"。注意这两句的性质完全不同：稳定性是实测的，效率是仿真的——它把一块为室内光设计的电池，从未放到室内光下测过。 同一条攻击线还有第二个落点：2026 EGSD017（GQD 钙钛矿，Grand Award） 用 "a xenon arc lamp under AM 1.5G sunlight" 测 I–V，未报光谱失配因子，而其模型预测 3.1% 提升、实测只有 0.98%，三倍的模型—实验差没有被解释。再往上看一层：EGSD 两届 35 篇获奖摘要里，calibrat 出现 0 次、uncertaint 出现 0 次、error bar 出现 0 次；同两届四个工程赛道 173 个获奖项目里 calibrat 共出现 4 次且全部在 ROBO/ETSD。也就是说，光源标定这件事在本赛道的获奖语料里是完全缺席的。

空白在于：已有工作评估的是"这块电池好不好"，没有人评估过"报告这块电池好坏所用的那把尺子准不准"。这是一个评价维度转换型的空白，可靠性排在"方法本身"之上。它适合一年期学生课题的理由很直接：不需要合成任何材料（钙钛矿路线的铅/铋前驱体与碘化氢，SDS 标注即触发受监管机构条款，普通学校做不了，直接判死），器材全部现货、总额两千余元，实验时间可压缩（多加一路光源就是多几个小时），而且结论正负都成立——测出光源间成倍差异是结果，测出差异很小也是结果，后者等于给"用 lux 归一化"这个做法开了一张有条件的通行证，同样有用。

3 · 可检验假设

H1 在同一照度（500 lux，控制在 ±5% 以内）下，六种室内光源之间，同一块商品硅电池的最大功率点输出 P_max 的极差与均值之比 ≥ 50%（即最高／最低 ≥ 1.5 倍）；且该离散度可由"光源光谱功率分布与电池光谱响应的重叠积分"预测，回归 R² ≥ 0.8。

依据的推算过程：照度 E_v = K_m ∫ E_e(λ)·V(λ)dλ，而电池短路电流 I_sc ∝ ∫ E_e(λ)·SR(λ)dλ，其中 SR(λ) 是光谱响应度。两个积分的加权函数在 700–1100 nm 段完全不重叠——V(λ) 在该段为零，硅的 SR(λ) 在该段仍有可观量值。因此只要光源之间的近红外份额有差异，同 lux 下的 I_sc 就必然有差异，差异幅度约等于近红外份额之比。卤素灯的辐射峰在近红外、白光 LED 的辐射基本被限制在可见段，两者的近红外份额差异应当是数量级的；卤素灯与 LED 在 780 nm 以上的具体能量占比需实测（这正是本课题第 3 步要产出的数据），不引用未经自己测量的数值。 取 50% 作为阈值是一个保守的可否证门槛：若实测极差比达不到 50%，H1 被否证。

H2（备择假设，H1 被否证时仍有内容）若光源间极差比 < 50%，说明所选光源的谱形差异不足以暴露问题，此时把变量换到器件侧：非晶硅（截止约 700 nm）与单晶硅（约 1100 nm）在同一光源、同一照度下的 P_max/lux 比值之差 ≥ 2 倍。即：即使光源差异有限，lux 归一化仍然对器件带隙敏感，"每 lux 多少功率"不是一个器件无关的指标。主结论方向（lux 不能作为室内光伏的归一化基准）在两条假设下都成立，被推翻的只是它的量级来源。

4 · 量化验收标准

1. 方法学校验（硬门槛，不过关则后续全部结论无效）。 用一块已标定的参考电池（或一块已知 I–V 曲线的商品电池）与待测电池在同一光源、同一位置、同一时刻（或严格互换位置的两次相邻测量）比对：两者由 I–V 曲线读出的 I_sc 之比，在 10 次重复内变异系数 ≤ 3%；若使用已标定参考电池，其 I_sc 与标定证书给定值的偏差 ≤ 5%。参考电池的标定证书、标定光谱条件与有效期需核实——若拿不到已标定件，退到"已知 I–V 的商品电池当传递标准"，全部绝对量改为相对量（见 §8）。这一条不过关，说明光路几何、照度控制或 I–V 扫描链路有系统性问题，后面所有光源间比较都无意义。
2. 统计口径预先写死。 两个 n 严格分开、不得混用：n_rep = 同一块电池在同一工况下的重复扫描次数 ≥ 5；n_dev = 同型号不同电池片的个体数 ≥ 3。报告中每一个标准差都必须标注它来自哪个 n。不确定度按 A/B 两类合成：A 类为 n_rep 与 n_dev 的实测标准差；B 类逐项列出——照度计示值误差与 V(λ) 匹配等级、光谱仪相对响应度与波长精度、电池表面温度漂移、电子负载的电压/电流量化误差、光源与电池间距的定位误差。必须给出一张合成表，标明各分量占合成不确定度的百分比。
3. 矩阵规模。 ≥ 6 种光源 × 4 个照度档（拟取 200／500／1000／2000 lux，实际档位按各光源可达范围调整并在开题时写死），每格 n_rep ≥ 5。低于 6 种光源则谱形覆盖不足以支撑回归。
4. 温度必须记录，否则数据作废。 每次 I–V 扫描同步记录电池表面温度，报告 P_max 的温度依赖并在跨光源比较中做修正。室内光伏辐照度低、自发热小，但白炽/卤素灯的红外会显著加热电池——这正是最容易被误当作"光谱效应"的那一项。
5. 主结论的量化形式。 输出一张"lux → 有效辐照度"的光谱修正因子表，每个光源一个因子，附自助抽样（bootstrap）置信区间；并明确报告：只用 lux 归一化 与 用光谱修正后归一化 这两种口径下，六种光源的效率排序是否发生改变、改变了几对。排序若不改变，同样是有效结论，但必须给出误差棒证明有能力分辨这个差异。
6. 可复现性。 I–V 扫描脚本、光谱原始数据（含波长轴与相对响应度标定说明）、几何定位方案、分析脚本、测试盒 CAD 文件全部开源，第三方可一键重跑分析。

5 · 数据与工具

用途	来源 / 工具
待测器件	小面积商用电池 3 种（非晶硅、单晶硅，第三种拟取染料敏化或 GaAs），约 ¥300，现货。选型判据是光谱响应截止波长要拉开，不是效率高低
光谱测量	USB 光谱仪，约 ¥1,200，现货 1 周。具体型号、波长范围、光谱分辨率、是否具备绝对辐照标定能力，均需核实——可见光段能分辨 LED 与荧光灯谱形即可满足相对测量需求
照度测量	照度计，约 ¥150，现货。其 V(λ) 匹配等级 f1′ 与余弦响应误差需核实，这两项直接进入 §4 第 2 条的 B 类不确定度
I–V 扫描	可调恒流电子负载；或 Arduino + 数字电位器扫描方案，约 ¥150。低辐照下电流在微安—毫安量级，采样链的量程下限须核实
光源	暖白 LED、冷白 LED、荧光灯、卤素/白炽、阴天窗光、以及第六种（拟取 LED 灯丝灯或不同色温 LED），约 ¥300
参考基准（仅用于校验与对比，不计入本项目的数据贡献）	已标定参考电池（可得性、价格、货期需核实）；退化方案为一块已知 I–V 的商品电池作传递标准
文献对照（仅用于校验与对比，不计入本项目的数据贡献）	EGSD037（2025）的 23.6% 仿真效率与 2.14 eV 带隙；EGSD017（2026）的 3.1% 预测 vs 0.98% 实测

总额 ¥2,000–2,500，全部现货，无危险化学品，不触发任何受监管化学品条款。

须核实而非引用的量：（a）是否存在被广泛接受的室内参考光谱及其标准号——在核实到之前，本方案一律不写任何标准号；（b）USB 光谱仪的具体型号与其是否能做绝对辐照标定；（c）已标定参考电池的可得性、价格与货期；（d）照度计的 f1′ 等级。（a）与（c）是第 6 周末的 go/no-go 输入（见 §8）。

6 · 方法路径

1. 搭测试盒 + 完成 §4 第 1 条比对校验。 做一个内壁消光、可固定电池位置与光源距离的暗箱，把照度计探头与电池置于同一平面，接上 I–V 扫描链路，用参考电池（或已知 I–V 的商品电池）在同一光源下完成 10 次比对。这一步不过不许继续。
2. 核实器材能力边界，逐一排查本方向的静默失败点（这些陷阱全都不报错，只是给错数）： - 照度计的余弦响应误差与 V(λ) 匹配偏差——探头没有正对光源、或光源不是点源时，读数偏低但显示正常，于是"同 500 lux"这个前提本身就是假的； - LED 与荧光灯的 PWM 调光在采样窗内产生混叠——照度读数稳定、I–V 曲线光滑，但功率被系统性低估。必须用示波器或长积分窗确认光源无可见调制； - 光谱仪在低照度下拉长积分时间导致暗电流漂移与杂散光——谱形被压平，近红外段尤其失真，而近红外段恰恰是本课题的全部信号所在； - 电池自发热改变 I–V——卤素灯的红外把电池烤热，开路电压随温度下降，这一效应会被误读成"卤素灯下效率低"，方向与真实的光谱效应相反； - I–V 扫描速度过快引起容性迟滞——正扫与反扫出现回滞，P_max 取值依赖扫描方向。必须报告双向扫描的差值。
3. 测全部光源的光谱与照度矩阵，并锁定几何。 每种光源在每个照度档下记录光谱功率分布（相对）、照度、色温与距离，几何一经锁定全程不动，位置用定位夹具而非目测。
4. 跑满 6 光源 × 4 照度 × 3 电池 × n_rep ≥ 5 的 I–V 矩阵，每条曲线同时落盘电池表面温度与当次照度读数。
5. 计算光谱修正因子并做回归。 用重叠积分预测各光源下的相对 I_sc，与实测 I_sc 回归，报斜率、R² 与残差；产出"lux → 有效辐照度"修正因子表。
6. 独立交叉校验（用另一种原理测同一个量）。 在同一光源与同一电池之间插入一片透过率已知的滤光片（例如可见截止或近红外截止片），由光谱积分预先预测 P_max 的变化幅度，再实测对照。预测与实测一致，说明第 5 步的重叠积分模型成立；不一致，说明光谱仪的相对响应度标定或电池的 SR(λ) 假设有问题——这是整条测量链最干净的闭环检验。

7 · 新颖性边界

本课题不声称： - 不声称首次做室内光伏。EGSD037（2025, Grand Award）已做无铅室内光伏并报告 2.14 eV 带隙与 "simulation-based power conversion efficiency achieving an exceptional 23.6%"；2026 EGSD017 已做 GQD 钙钛矿。 - 不声称合成任何新的光伏材料。本课题一片钙钛矿都不做——铅/铋前驱体与碘化氢的 SDS 标注直接触发受监管机构条款，这是一条明确的、事先划掉的路。 - 不声称首次指出光谱失配。光谱失配因子是光伏计量的标准概念，不是本课题的发明。 把它说成发现会立即失去可信度。 - 不声称 EGSD037 的 23.6% 是错的。该项目自己写明了 simulation-based，它报告的是仿真值而非实测值，本课题不复现其器件，也不对该数字做真伪判断。

已有工作做到哪： 器件侧，无铅室内光伏的带隙调控、稳定性（85% RH／85°C／100 小时）已有获奖工作；表征侧，两届 35 篇 EGSD 获奖摘要中 calibrat／uncertaint／error bar 各出现 0 次，四赛道 173 项里 calibrat 仅 4 次且全在 ROBO/ETSD。测量链这一侧是空的。

本项目的贡献（属「评价维度转换」型）： 已有工作评估的是"器件在某个照度下效率多少"；本项目评估的是"照度这把尺子本身在多大程度上不可比"，并交付一张可被别人直接使用的光谱修正因子表与一条明确判据——一篇室内光伏结果若只报 lux 不报光谱，它的效率数字不可与他人比较。 这是主结论，不是附加内容。

为什么有价值： 室内光伏的全部应用场景（物联网节点、传感器、遥控器）都发生在光源未知的真实房间里。若"每 lux 多少功率"这个指标对光源敏感到成倍，那么按 lux 选型的工程师会系统性选错器件；而对整个领域来说，一张公开的修正因子表让此前互不可比的文献数字第一次能放到同一坐标里看。

若结论不显著： 若六种光源下 P_max 极差比 < 50%，H1 被否证——这同样是有效结论，它意味着在常见室内照明条件下 lux 归一化是可接受的近似，这本身就是一个此前没人证明过的、有工程价值的结论。但必须给出误差棒证明有能力分辨 50% 这个量级的差异，否则等于没做。

8 · 决策门槛（go / no-go）

🟢 2026-08-25（第 3 周末）：测试盒建成，§4 第 1 条比对校验通过。 若 10 次重复的 I_sc 比变异系数 > 3%，先排查几何定位与光源稳定性（预热时间不足是最常见原因），不得带着不合格的链路往下跑矩阵。

🟡 2026-09-14（第 6 周末）：确认已标定参考电池是否可得，以及是否存在可引用的室内参考光谱标准。 若拿不到已标定参考电池，立即降级（这是本条最重要的降级路径）： 改用一块固定的商品电池作为传递标准，全部结果从"绝对效率"改为"相对于传递标准的功率比"。主结论框架完全保留——"同 lux 不同光源下输出差多少倍"本来就是一个比值，不需要绝对辐照标定；被牺牲的只是"这块电池的绝对效率是多少"这个次要交付物。本课题不因拿不到标定件而报废，这是它相对合成类课题的核心优势。

⚠️ 与「附属赛后不得修改」的冲突点： 光源清单、照度档位、以及"效率"的分母定义（用照度计读数换算的辐照度，还是用光谱积分得到的辐照度）——这三项一旦在附属赛后想改就不被允许，必须在 2026 年 11 月底前定死，并在研究计划中写明选择理由与敏感性检验结果。 事后换分母等于换结论，是评审最敏感的问题之一。

须提前核实而非边做边发现的事项： - 室内参考光谱是否有公认标准及其标准号——核实到之前不得在任何文档中写出标准号。 - USB 光谱仪能否做绝对辐照标定；若只能做相对测量，第 5 步的修正因子必须以相对形式呈现，这一点要在开题时就说清楚，不能等做完再改口。 - 照度计的 f1′ 匹配等级——它决定 B 类不确定度里最大的一项。 - 光源预热稳定时间（荧光灯尤其长），未预热即测是本课题最容易的翻车方式。

已知困难及其定位： 绝对辐照标定拿不到。这个困难本身就是研究内容——课题问的正是"没有绝对标定的情况下，人们用 lux 顶替，这个顶替有多大代价"，所以缺标定不是障碍，而是这个课题存在的前提。

选择前提： 适合愿意做重复测量、能接受"主结论是一张表而不是一个百分比"的学生。不适合想要合成新材料、或希望展板中央摆一块自制器件的学生——本课题的展板核心是光谱图与修正因子表。

预算裁剪顺序： 先把光源从 6 种压到 4 种（保留卤素、白光 LED、荧光灯、窗光这四类谱形差异最大的），再把电池从 3 种压到 2 种（保留非晶硅与单晶硅这一对截止波长差异最大的），最后把照度档从 4 档压到 2 档。砍到 4 光源 × 2 电池 × 2 照度时主结论仍成立，再往下砍则回归失去自由度，不得继续砍。

🔴 展台能否展示实物：可以，但有一处容易忽略的红线。 电池片、测试暗箱、电子负载板均为固体、非液体、非粉末、非化学品，可以上展台。但卤素灯泡与荧光灯管是玻璃件，规则禁止玻璃出现在展位上，这两样必须留在家里，只能用照片。 LED 光源若为全塑封装可带。展板主体是光谱图与修正因子表——本课题在展台规则下几乎不吃亏，这是它相对电解液类课题的另一个优势。

采购周期： 全部器材现货，最长约 1 周（USB 光谱仪），无一项超过 4 周，本条不构成 go/no-go 风险。唯一的例外是已标定参考电池，其货期未知、需核实，但因已有降级路径，不作为致命项。

评分： O=8, W=9, F=8, S=8, Fit=9 → base=83.6，h=9 → [75, 93]，置信度：中

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