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用于“物联网”的光伏传感器

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2019-10-09 10:23:14

专家估计,到2025年,全球物联网设备(包括收集有关基础设施和环境的实时数据的传感器)的数量可能会增加到750亿。但是,这些传感器需要经常更换的电池,这对于长期监控可能会造成问题。

麻省理工学院的研究人员设计了由光伏供电的传感器,这些传感器可以在需要更换之前传输数年的数据。为此,他们将薄膜钙钛矿电池(以其潜在的低成本,灵活性和相对易制造性而闻名)作为能量收集器安装在廉价的射频识别(RFID)标签上。

电池可以在明亮的阳光下和昏暗的室内条件下为传感器供电。此外,研究小组发现太阳能实际上为传感器提供了巨大的功率提升,从而实现了更大的数据传输距离,并能够将多个传感器集成到单个RFID标签上。

“将来,我们周围可能会有数十亿个传感器。按照这种规模,将需要大量电池,这些电池必须不断充电。但是,如果您可以使用环境光为它们自供电呢?” Sai Nithin Kantareddy博士说。 “这项工作基本上是使用能量收集器为各种应用构建增强的RFID标签。”

在《Advanced Functional Materials》和《IEEE Sensors》杂志上发表的两篇论文中,麻省理工学院自动ID实验室和麻省理工学院光伏研究实验室的研究人员描述了使用传感器连续几天监控室内和室外温度的方法。传感器连续传输数据的距离是传统RFID标签的五倍,而无需电池。更长的数据传输范围尤其意味着可以使用一个读取器同时从多个传感器收集数据。

取决于环境中的某些因素(例如湿度和热量),传感器可以在内部或外部放置数月或数年,直到它们降解到足以需要更换为止。对于需要在室内和室外进行长期传感的任何应用而言,这都是有价值的,包括跟踪供应链中的货物,监测土壤以及监测建筑物和家庭中设备使用的能源。

在最近尝试创建自供电传感器的尝试中,其他研究人员已将太阳能电池用作物联网(IoT)设备的能源。但是这些基本上是传统太阳能电池的缩小版本,而不是钙钛矿。Kantareddy说,传统的单元在某些条件下可以高效,持久且功能强大,“但对于无处不在的IoT传感器来说确是行不通的。”

例如,传统的太阳能电池体积庞大且制造昂贵,而且它们不灵活且不能制成透明的,这对于放置在窗户和汽车挡风玻璃上的温度监测传感器很有用。实际上,它们还只是设计为从强大的阳光而不是室内低照度有效地收集能量。

另一方面,钙钛矿电池可以使用简单的卷对卷制造技术进行印刷,每套只需几美分。薄、柔软而且透明;并调整为从任何类型的室内和室外照明中收集能量。

当时的想法是将低成本电源与低成本RFID标签相结合,后者是无电池标签,用于监控全球数十亿种产品。贴纸上装有微小的超高频天线,每个天线的成本约为3至5美分。

RFID标签依赖于一种称为“反向散射”的通信技术,该技术通过将调制的无线信号反射离开标签并传回阅读器来传输数据。一种称为阅读器的无线设备,与Wi-Fi路由器基本类似,对标签执行ping操作,标签会加电并向后散射一个唯一信号,该信号包含有关所粘贴产品的信息。

传统上,标签会收集阅读器发送的少量射频能量,以为存储数据的内部小芯片加电,并使用剩余的能量来调制返回信号。但这仅相当于几微瓦的功率,这限制了它们的通信范围不到一米。

研究人员的传感器包括一个构建在塑料基板上的RFID标签。钙钛矿太阳能电池阵列直接连接到标签上的集成电路。与传统系统一样,阅读器会扫荡整个房间,每个标签都会响应。但是,它没有使用阅读器的能量,而是从钙钛矿电池中获取了能量,以使电路通电并通过反向散射RF信号发送数据。

关键创新在于定制单元。它们是分层制造的,钙钛矿材料夹在电极,阴极和特殊的电子传输层材料之间。这样可以达到约10%的效率,这对于仍处于实验状态的钙钛矿电池来说是相当高的。这种分层结构还使研究人员能够调整每个电池的最佳“带隙”,该带隙是一种电子移动特性,决定了在不同光照条件下电池的性能。然后,他们将单元合并为四个单元的模块。

在“Advanced Functional Materials”论文中,这些模块在一次阳光照射下产生了4.3伏的电,这是衡量太阳能电池在阳光下产生多少电压的标准度量。这足以为电路供电(约1.5伏),并每隔几秒钟发送一次约5米的数据。这些模块在室内照明中具有类似的性能。IEEE Sensors论文主要展示了用于室内应用的宽带隙钙钛矿电池,在室内荧光灯照明下,其效率在18.5%至21%之间。这取决于它们产生多少电压。基本上,任何光源的约45分钟将为室内和室外的传感器供电约3个小时。

RFID电路的原型仅用于监控温度。接下来,研究人员旨在扩大规模,并在混合环境中添加更多的环境监测传感器,例如湿度,压力,振动污染。这些传感器被大规模部署,尤其可以帮助室内进行长期数据收集,以帮助构建算法,例如,帮助提高智能建筑的能源效率。

“我们所使用的钙钛矿材料作为有效的室内光收集器具有令人难以置信的潜力。我们的下一步就是使用印刷电子方法整合这些相同的技术,从而有可能实现无线传感器的极低成本制造,”研究人员说。


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