Plastsolceller kombinerer højhastigheds optisk kommunikation med indendørs energihøst

Jorden rundt, der er i øjeblikket mere end 18 milliarder internetforbundne mobile enheder. I de næste 10 år, forventet vækst i tingenes internet (IoT) og i maskin-type kommunikation generelt, vil føre til en verden med hundredvis af milliarder af data-forbundne objekter. En sådan vækst rejser to meget udfordrende problemer:

• Sikker tilslutning af mange trådløse enheder til internettet, da radiofrekvensbåndbredde bliver knap
• Driver alle disse enheder

Fast, manuel opladning af alle mobile internet-tilsluttede enheder vil ikke være mulig, og tilslutning til elnettet kan generelt ikke antages. Derfor, mange af disse mobile enheder skal være i stand til at høste energi for at blive stort set energiautonære.

I et nyt blad udgivet i Lys:Videnskab og applikationer , forskere fra University of Strathclyde og University of St. Andrews har demonstreret et plastik solpanel, der kombinerer indendørs optisk energihøst med samtidig modtagelse af flere højhastighedsdatasignaler ved multiple-input/multiple-output (MIMO) visible light communications (VLC) ).

Forskningen, ledet af professor Harald Haas fra Strathclyde LiFi Research and Development Centre, og professorerne Ifor Samuel og Graham Turnbull ved St. Andrews Organic Semiconductor Centre, tager et vigtigt skridt mod den fremtidige realisering af selvdrevne, dataforbundne enheder.

Forskerholdene viste, at organiske solceller (OPV'er), solceller fremstillet af lignende plastik-lignende materialer som dem, der bruges i OLED smartphone-skærme, er velegnede til højhastigheds optiske datamodtagere, der også kan høste strøm. Ved at bruge en optimeret kombination af organiske halvledermaterialer, stabile OPV'er blev designet og fremstillet til effektiv strømkonvertering af indendørs belysning. Et panel med 4 OPV-celler blev derefter brugt i et optisk trådløs kommunikationseksperiment, at modtage en datahastighed på 363 Mb/s fra et array af 4 laserdioder (hver laser sender et separat signal), og samtidig høste 11 mW optisk effekt.

Prof. Turnbull forklarede:"Økologisk fotovoltaik tilbyder en fremragende platform til indendørs strømudtagning til mobile enheder. Deres fordel i forhold til silicium er, at materialerne kan designes til at opnå maksimal kvanteeffektivitet for typiske LED-belysningsbølgelængder. Kombineret med datamodtagelsesevnen, dette åbner op for en betydelig mulighed for selvdrevne Internet of Things-enheder."

Prof Haas sagde, "Økologiske fotovoltaiske celler er meget attraktive, fordi de er nemme at lave og kan være fleksible, tillader masseintegration i internetforbundne enheder. Ud over, sammenlignet med uorganiske detektorer, OPV'er har potentialet til at være væsentligt billigere, hvilket er en central drivkraft for deres kommercielle adoption i stor skala.

"Synligt lys kommunikation giver ureguleret, enorme ressourcer til at afhjælpe nye flaskehalse i trådløs kapacitet. Selvfølgelig, synligt lys kan også give energi. For at nå begge mål med en enkelt enhed, der skal nye solceller til. De skal være i stand til samtidigt at høste energi og detektere data ved høje hastigheder. Det er derfor vigtigt at udvikle solceller, der har to nøglefunktioner:(a) de udviser en meget stor elektrisk båndbredde i den fotovoltaiske driftstilstand, og (b) have et stort opsamlingsområde for at kunne opsamle et tilstrækkeligt antal fotoner til at opnå et højt signal-til-støj-forhold (SNR) og høste maksimal energi fra lys.

"De to krav udelukker typisk gensidigt, fordi et stort detektorområde resulterer i en høj kapacitans og dermed lav elektrisk båndbredde. I denne forskning, vi har overvundet denne fundamentale begrænsning ved at bruge en række OPV-celler som en MIMO-modtager til at etablere flere parallelle og uafhængige datakanaler, samtidig med at vi er i stand til at akkumulere den høstede energi fra alle individuelle solceller. Så vidt vi ved, dette har aldrig været vist før. Dette arbejde lægger derfor grundlaget for skabelsen af ​​et meget stort, massiv MIMO-solcellemodtager, der muliggør hundredvis og potentielt tusindvis af individuelle datastrømme, mens man bruger det enorme opsamlingsområde til at høste store mængder energi fra lys (både databærende og omgivende lys). Det er tænkeligt at forvandle hele vægge til en gigabit per sekund datadetektor, mens der høstes tilstrækkelig energi til at drive mange distribuerede intelligente sensorer, databehandlings- og kommunikationsknudepunkter."