tegen 2025, experts schatten dat het aantal Internet of Things-apparaten, waaronder sensoren die realtime gegevens verzamelen over infrastructuur en het milieu, wereldwijd kan oplopen tot 75 miljard. Zoals het staat, echter, die sensoren vereisen batterijen die regelmatig moeten worden vervangen, wat problematisch kan zijn voor monitoring op lange termijn.

MIT-onderzoekers hebben fotovoltaïsche sensoren ontworpen die mogelijk jarenlang gegevens kunnen verzenden voordat ze moeten worden vervangen. Om dit te doen, ze monteerden dunne-film perovskietcellen - bekend om hun potentiële lage kosten, flexibiliteit, en relatief gemak van fabricage - als energie-oogsters op goedkope radiofrequentie-identificatie (RFID) -tags.

De cellen kunnen de sensoren van stroom voorzien in zowel fel zonlicht als zwakkere binnenomstandigheden. Bovendien, het team ontdekte dat de zonne-energie de sensoren in feite een grote vermogensboost geeft die grotere afstanden voor gegevensoverdracht mogelijk maakt en de mogelijkheid biedt om meerdere sensoren op een enkele RFID-tag te integreren.

"In de toekomst, er kunnen miljarden sensoren om ons heen zijn. Met die schaal je hebt veel batterijen nodig die je constant moet opladen. Maar wat als je ze zelf zou kunnen voeden met behulp van het omgevingslicht? Je zou ze kunnen inzetten en ze maanden of jaren achter elkaar kunnen vergeten, " zegt Sai Nithin Kantareddy, een doctoraat student in het MIT Auto-ID Laboratory. "Dit werk is in feite het bouwen van verbeterde RFID-tags met behulp van energieoogstmachines voor een reeks toepassingen."

In een paar artikelen gepubliceerd in de tijdschriften Geavanceerde functionele materialen en IEEE-sensoren , Onderzoekers van het MIT Auto-ID Laboratory en MIT Photovoltaics Research Laboratory beschrijven het gebruik van de sensoren om de binnen- en buitentemperatuur gedurende meerdere dagen continu te bewaken. De sensoren verzenden continu gegevens op afstanden die vijf keer groter zijn dan traditionele RFID-tags, zonder dat batterijen nodig zijn. Langere datatransmissiebereiken betekenen, onder andere, dat één lezer kan worden gebruikt om gegevens van meerdere sensoren tegelijk te verzamelen.

Afhankelijk van bepaalde factoren in hun omgeving, zoals vocht en warmte, de sensoren kunnen maandenlang binnen of buiten blijven staan ​​of, mogelijk, jaar achtereen voordat ze voldoende verslechteren om vervangen te moeten worden. Dat kan waardevol zijn voor elke toepassing die langdurige detectie vereist, binnen en buiten, inclusief het volgen van vracht in toeleveringsketens, bodem bewaken, en monitoring van het energieverbruik van apparatuur in gebouwen en woningen.

Deelnemen aan Kantareddy op de papieren zijn:Afdeling Werktuigbouwkunde (MechE) postdoc Ian Matthews, onderzoeker Shijing Sun, studente chemische technologie Mariya Layurova, onderzoeker Janak Thapa, onderzoeker Ian Marius Peters, en Georgia Tech Professor Juan-Pablo Correa-Baena, die allemaal lid zijn van het Photovoltaics Research Laboratory; Rahul Bhattacharyya, een onderzoeker in het AutoID Lab; Tonio Buonasisi, een professor in MechE; en Sanjay E. Sarma, de Fred Fort Flowers en Daniel Fort Flowers hoogleraar Werktuigbouwkunde.

Twee goedkope technologieën combineren

Bij recente pogingen om zelfaangedreven sensoren te maken, andere onderzoekers hebben zonnecellen gebruikt als energiebronnen voor Internet of Things (IoT)-apparaten. Maar dat zijn in feite gekrompen versies van traditionele zonnecellen - niet perovskiet. De traditionele cellen kunnen efficiënt zijn, langdurig, en krachtig onder bepaalde omstandigheden "maar zijn echt onhaalbaar voor alomtegenwoordige IoT-sensoren, ' Zegt Kantareddy.

Traditionele zonnecellen, bijvoorbeeld, zijn omvangrijk en duur om te vervaardigen, bovendien zijn ze inflexibel en kunnen ze niet transparant worden gemaakt, wat handig kan zijn voor temperatuurbewakingssensoren die op ramen en autoruiten zijn geplaatst. Ze zijn ook eigenlijk alleen ontworpen om efficiënt energie te halen uit krachtig zonlicht, niet weinig binnenlicht.

Perovskiet cellen, anderzijds, kan worden bedrukt met behulp van eenvoudige roll-to-roll fabricagetechnieken voor een paar cent per stuk; dun gemaakt, flexibel, en transparant; en afgestemd om energie te halen uit elke vorm van binnen- en buitenverlichting.

Het idee, dan, een goedkope stroombron combineerde met goedkope RFID-tags, dit zijn batterijloze stickers die worden gebruikt om miljarden producten wereldwijd te controleren. De stickers zijn voorzien van kleine, ultrahoogfrequente antennes die elk ongeveer drie tot vijf cent kosten om te maken.

RFID-tags zijn gebaseerd op een communicatietechniek genaamd "backscatter, " die gegevens verzendt door gemoduleerde draadloze signalen van de tag en terug naar een lezer te reflecteren. Een draadloos apparaat dat een lezer wordt genoemd - in feite vergelijkbaar met een wifi-router - pingt de tag, die een uniek signaal inschakelt en terugverstrooit met informatie over het product waaraan het is vastgemaakt.

traditioneel, de tags oogsten een beetje van de radiofrequentie-energie die door de lezer wordt verzonden om een ​​kleine chip in te schakelen die gegevens opslaat, en gebruikt de resterende energie om het terugkerende signaal te moduleren. Maar dat komt neer op slechts een paar microwatt aan vermogen, waardoor hun communicatiebereik wordt beperkt tot minder dan een meter.

De sensor van de onderzoekers bestaat uit een RFID-tag die op een plastic ondergrond is gebouwd. Direct verbonden met een geïntegreerde schakeling op de tag is een reeks perovskiet-zonnecellen. Net als bij traditionele systemen, een lezer veegt de kamer, en elke tag reageert. Maar in plaats van energie van de lezer te gebruiken, het haalt geoogste energie uit de perovskietcel om het circuit van stroom te voorzien en gegevens te verzenden door RF-signalen terug te verstrooien.

Efficiëntie op schaal

De belangrijkste innovaties zitten in de op maat gemaakte cellen. Ze zijn in lagen gefabriceerd, met perovskietmateriaal ingeklemd tussen een elektrode, kathode, en speciale elektronentransportlaagmaterialen. Dit leverde een efficiëntie van ongeveer 10 procent op, wat vrij hoog is voor nog experimentele perovskietcellen. Deze gelaagde structuur stelde de onderzoekers ook in staat om elke cel af te stemmen op zijn optimale "bandgap, ", een eigenschap die elektronen beweegt en die de prestaties van een cel in verschillende lichtomstandigheden dicteert. Vervolgens combineerden ze de cellen in modules van vier cellen.

In het artikel Advanced Functional Materials, de modules wekten 4,3 volt elektriciteit op onder één zonverlichting, wat een standaardmeting is voor hoeveel spanning zonnecellen produceren onder zonlicht. Dat is genoeg om een ​​circuit van stroom te voorzien - ongeveer 1,5 volt - en om de paar seconden gegevens van ongeveer 5 meter te verzenden. De modules hadden vergelijkbare prestaties in binnenverlichting. De IEEE Sensors-paper demonstreerde voornamelijk perovskietcellen met een brede bandgap voor binnentoepassingen die tussen 18,5% en 21,4% efficiëntie behaalden onder TL-verlichting binnenshuis, afhankelijk van hoeveel spanning ze genereren. Eigenlijk, ongeveer 45 minuten van elke lichtbron zullen de sensoren binnen en buiten ongeveer drie uur van stroom voorzien.

Het RFID-circuit werd geprototypeerd om alleen de temperatuur te bewaken. Volgende, de onderzoekers willen opschalen en meer sensoren voor omgevingsmonitoring aan de mix toevoegen, zoals vochtigheid, druk, trillingen, en vervuiling. Op schaal ingezet, de sensoren kunnen vooral helpen bij het verzamelen van gegevens op lange termijn binnenshuis om te helpen bouwen, zeggen, algoritmen die helpen om slimme gebouwen energiezuiniger te maken.

"De perovskietmaterialen die we gebruiken, hebben een ongelooflijk potentieel als effectieve oogstmachines voor binnenverlichting. Onze volgende stap is om dezelfde technologieën te integreren met behulp van gedrukte elektronische methoden, mogelijk extreem goedkope fabricage van draadloze sensoren mogelijk maken, "zegt Mathijs.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.