Rond de wereld, er zijn momenteel meer dan 18 miljard met internet verbonden mobiele apparaten. In de komende 10 jaar, verwachte groei in het internet der dingen (IoT) en in machine-achtige communicatie in het algemeen, zal leiden tot een wereld van honderden miljarden aan data verbonden objecten. Een dergelijke groei brengt twee zeer uitdagende problemen met zich mee:

• Veilig verbinden van veel draadloze apparaten met internet omdat de bandbreedte van de radiofrequentie schaars wordt
• Al deze apparaten van stroom voorzien

Normaal, handmatig opladen van alle apparaten met een mobiele internetverbinding zal niet haalbaar zijn, en aansluiting op het elektriciteitsnet kan niet algemeen worden aangenomen. Daarom, veel van deze mobiele apparaten zullen energie moeten kunnen oogsten om grotendeels energie-autonoom te worden.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , onderzoekers van de Universiteit van Strathclyde en de Universiteit van St. Andrews hebben een plastic zonnepaneel gedemonstreerd dat het oogsten van optische energie binnenshuis combineert met het gelijktijdig ontvangen van meerdere high-speed datasignalen door multiple-input/multiple-output (MIMO) zichtbaar-lichtcommunicatie (VLC ).

Het onderzoek, onder leiding van professor Harald Haas van het Strathclyde LiFi Research and Development Centre, en professoren Ifor Samuel en Graham Turnbull van het St. Andrews Organic Semiconductor Centre, zet een belangrijke stap in de richting van de toekomstige realisatie van self-powered, data-verbonden apparaten.

De onderzoeksteams toonden aan dat organische fotovoltaïsche cellen (OPV's), zonnecellen gemaakt van soortgelijke plasticachtige materialen als die gebruikt worden in OLED-smartphoneschermen, zijn geschikt voor snelle optische gegevensontvangers die ook stroom kunnen oogsten. Met behulp van een geoptimaliseerde combinatie van organische halfgeleidermaterialen, stabiele OPV's zijn ontworpen en gefabriceerd voor een efficiënte stroomconversie van binnenverlichting. Een panel van 4 OPV-cellen werd vervolgens gebruikt in een optisch draadloos communicatie-experiment, ontvangen van een datasnelheid van 363 Mb/s uit een reeks van 4 laserdiodes (elke laser zendt een afzonderlijk signaal uit), terwijl tegelijkertijd 11 mW optisch vermogen wordt geoogst.

Prof Turnbull legt uit:"Organische fotovoltaïsche energie biedt een uitstekend platform voor het oogsten van energie binnenshuis voor mobiele apparaten. Hun voordeel ten opzichte van silicium is dat de materialen kunnen worden ontworpen om maximale kwantumefficiëntie te bereiken voor typische LED-verlichtingsgolflengten. Gecombineerd met de mogelijkheid tot gegevensontvangst, dit opent een belangrijke kans voor self-powered Internet of Things-apparaten."

Prof Haas zei:"Organische fotovoltaïsche cellen zijn erg aantrekkelijk omdat ze gemakkelijk te maken zijn en flexibel kunnen zijn, massale integratie in op internet aangesloten apparaten mogelijk maakt. In aanvulling, vergeleken met anorganische detectoren, OPV's kunnen aanzienlijk goedkoper zijn, wat een belangrijke drijfveer is voor hun grootschalige commerciële acceptatie.

"Zichtbare lichtcommunicatie zorgt voor ongereguleerde, enorme middelen om opkomende knelpunten op het gebied van draadloze capaciteit te verhelpen. Natuurlijk, zichtbaar licht kan ook energie leveren. Om beide doelstellingen met één apparaat te bereiken, er zijn nieuwe zonnecellen nodig. Ze moeten in staat zijn om tegelijkertijd met hoge snelheden energie te oogsten en data te detecteren. Het is daarom essentieel om zonnecellen te ontwikkelen die twee belangrijke kenmerken hebben:(a) ze vertonen een zeer grote elektrische bandbreedte in de fotovoltaïsche bedrijfsmodus, en (b) een groot verzamelgebied hebben om een ​​voldoende aantal fotonen te kunnen verzamelen om een ​​hoge signaal-ruisverhouding (SNR) te bereiken en maximale energie uit licht te halen.

"De twee vereisten sluiten elkaar typisch uit omdat een groot detectorgebied resulteert in een hoge capaciteit en dus een lage elektrische bandbreedte. In dit onderzoek we hebben deze fundamentele beperking overwonnen door een reeks OPV-cellen te gebruiken als een MIMO-ontvanger om meerdere parallelle en onafhankelijke datakanalen tot stand te brengen terwijl we in staat zijn om de geoogste energieën van alle individuele zonnecellen te accumuleren. Voor zover wij weten, dit is nog nooit eerder vertoond. Dit werk legt dan ook de basis voor de creatie van een zeer groot, enorme MIMO-zonnecelontvanger die honderden en mogelijk duizenden individuele gegevensstromen mogelijk maakt, terwijl het enorme verzamelgebied wordt gebruikt om grote hoeveelheden energie uit licht te halen (zowel gegevensdragend als omgevingslicht). Het is denkbaar om hele muren in een gigabit per seconde datadetector te veranderen, terwijl er voldoende energie wordt verzameld om veel gedistribueerde intelligente sensoren van stroom te voorzien, gegevensverwerkings- en communicatieknooppunten."