Fotovoltaisk drevne sensorer til tingenes internet

I 2025, eksperter anslår, at antallet af Internet of Things-enheder-herunder sensorer, der indsamler data i realtid om infrastruktur og miljø-kan stige til 75 milliarder på verdensplan. Som det står, imidlertid, disse sensorer kræver batterier, der skal udskiftes ofte, hvilket kan være problematisk for langsigtet overvågning.

MIT-forskere har designet fotovoltaisk drevne sensorer, der potentielt kan overføre data i årevis, før de skal udskiftes. For at gøre det, de monterede tyndfilmede perovskitceller-kendt for deres potentielle lave omkostninger, fleksibilitet, og relativt let fremstilling-som energi-høstere på billige radiofrekvensidentifikation (RFID) tags.

Cellerne kunne drive sensorerne i både stærkt sollys og svagere indendørs forhold. I øvrigt, teamet fandt ud af, at solenergi faktisk giver sensorerne et stort effektboost, der muliggør større dataoverførselsafstande og muligheden for at integrere flere sensorer på et enkelt RFID-mærke.

"I fremtiden, der kunne være milliarder af sensorer rundt omkring os. Med den skala, du skal bruge mange batterier, som du skal genoplade konstant. Men hvad nu hvis du kunne selvdrive dem ved hjælp af det omgivende lys? Du kan implementere dem og glemme dem i måneder eller år ad gangen, "siger Sai Nithin Kantareddy, en ph.d. studerende i MIT Auto-ID Laboratory. "Dette arbejde bygger dybest set forbedrede RFID -tags ved hjælp af energihøstere til en række applikationer."

I et par papirer offentliggjort i tidsskrifterne Avancerede funktionelle materialer og IEEE sensorer , MIT Auto-ID Laboratory og MIT Photovoltaics Research Laboratorieforskere beskriver brug af sensorerne til løbende at overvåge inde- og udetemperaturer over flere dage. Sensorerne transmitterede data kontinuerligt på afstande fem gange større end traditionelle RFID -tags - uden behov for batterier. Længere dataoverførselsintervaller betyder, blandt andet, at en læser kan bruges til at indsamle data fra flere sensorer samtidigt.

Afhængigt af visse faktorer i deres miljø, såsom fugt og varme, sensorerne kan stå inde eller ude i måneder eller, potentielt, år ad gangen, før de nedbrydes nok til at kræve udskiftning. Det kan være værdifuldt for enhver applikation, der kræver langsigtet registrering, indendørs og udendørs, herunder sporing af gods i forsyningskæder, overvågning af jord, og overvågning af energien, der bruges af udstyr i bygninger og hjem.

Tilslutter sig Kantareddy om papirerne er:Institut for Maskinteknik (MechE) postdoc Ian Matthews, forsker Shijing Sun, kemiingeniørstuderende Mariya Layurova, forsker Janak Thapa, forsker Ian Marius Peters, og Georgia Tech Professor Juan-Pablo Correa-Baena, som alle er medlemmer af Photovoltaics Research Laboratory; Rahul Bhattacharyya, en forsker i AutoID Lab; Tonio Buonassisi, en professor i MechE; og Sanjay E. Sarma, Fred Fort Flowers og Daniel Fort Flowers Professor i maskinteknik.

Kombination af to billige teknologier

I de seneste forsøg på at oprette selvdrevne sensorer, andre forskere har brugt solceller som energikilder til Internet of Things (IoT) -enheder. Men det er dybest set indskrænkede versioner af traditionelle solceller-ikke perovskit. De traditionelle celler kan være effektive, langvarig, og kraftfuld under visse betingelser "men er virkelig umulige for allestedsnærværende IoT -sensorer, "Siger Kantareddy.

Traditionelle solceller, for eksempel, er omfangsrige og dyre at fremstille, plus de er ufleksible og kan ikke gøres gennemsigtige, som kan være nyttig til temperaturovervågningssensorer placeret på vinduer og bilruder. De er også virkelig kun designet til effektivt at høste energi fra kraftigt sollys, ikke lavt indendørs lys.

Perovskitceller, på den anden side, kan udskrives ved hjælp af lette rull-til-rulle fremstillingsteknikker for et par cent hver; gjort tynd, fleksibel, og gennemsigtig; og indstillet til at høste energi fra enhver form for indendørs og udendørs belysning.

Ideen, derefter, kombinerede en billig strømkilde med billige RFID-tags, som er batterifrie klistermærker, der bruges til at overvåge milliarder af produkter verden over. Mærkaterne er udstyret med små, ultrahøjfrekvente antenner, der hver koster omkring tre til fem cent at lave.

RFID -tags er afhængige af en kommunikationsteknik kaldet "backscatter, "der overfører data ved at reflektere modulerede trådløse signaler fra mærket og tilbage til en læser. En trådløs enhed kaldet en læser-stort set ligner en Wi-Fi-router-pinger mærket, som aktiverer og tilbageskatter et unikt signal, der indeholder oplysninger om det produkt, det holder fast i.

Traditionelt set mærkerne høster lidt af den radiofrekvente energi, der sendes af læseren for at tænde en lille chip inde, der gemmer data, og bruger den resterende energi til at modulere det returnerende signal. Men det udgør kun et par mikrowatt strøm, hvilket begrænser deres kommunikationsområde til mindre end en meter.

Forskernes sensor består af et RFID -mærke bygget på et plastsubstrat. Direkte forbundet til et integreret kredsløb på mærket er en række perovskite solceller. Som med traditionelle systemer, en læser fejer rummet, og hvert mærke reagerer. Men i stedet for at bruge energi fra læseren, det trækker høstet energi fra perovskitcellen for at tænde sit kredsløb og sende data ved tilbagespredning af RF -signaler.

Effektivitet i stor skala

De vigtigste innovationer er i de tilpassede celler. De er fremstillet i lag, med perovskitmateriale klemt mellem en elektrode, katode, og specielle elektrontransportlagmaterialer. Dette opnåede cirka 10 procent effektivitet, som er ret høj for stadig eksperimentelle perovskitceller. Denne lagdelingsstruktur gjorde det også muligt for forskerne at indstille hver celle til sin optimale "båndgap, "som er en elektron-bevægelig ejendom, der dikterer en celles ydeevne under forskellige lysforhold. De kombinerede derefter cellerne til moduler af fire celler.

I papiret Advanced Functional Materials, modulerne genererede 4,3 volt elektricitet under en solbelysning, som er en standardmåling for, hvor meget spænding solceller producerer under sollys. Det er nok til at tænde et kredsløb - cirka 1,5 volt - og sende data omkring 5 meter hvert par sekunder. Modulerne havde lignende præstationer inden for indendørs belysning. IEEE Sensors -papiret viste primært perovskitceller med bred bånd til indendørs applikationer, der opnåede mellem 18,5 procent og 21. 4 procent effektivitet under indendørs fluorescerende belysning, afhængigt af hvor meget spænding de genererer. I det væsentlige, omkring 45 minutter af enhver lyskilde vil drive sensorerne indendørs og udendørs i cirka tre timer.

RFID -kredsløbet blev prototypet til kun at overvåge temperaturen. Næste, forskerne sigter mod at skalere og tilføje flere miljøovervågningssensorer til blandingen, såsom fugtighed, tryk, vibrationer, og forurening. Implementeret i stor skala, sensorerne kunne især hjælpe med langsigtet dataindsamling indendørs til at hjælpe med at bygge, sige, algoritmer, der hjælper med at gøre smarte bygninger mere energieffektive.

"De perovskitmaterialer, vi bruger, har et utroligt potentiale som effektive indendørs lyshøstere. Vores næste trin er at integrere de samme teknologier ved hjælp af trykte elektroniske metoder, muligvis muliggør ekstremt billig fremstilling af trådløse sensorer, "Siger Mathews.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.