用于“物联网”的光伏传感器;基于RFID的设备在室内和室外照明条件下工作,并在更远的距离进行通信。专家估计,到2025年,“物联网”设备的数量(包括收集有关基础设施和环境的实时数据的传感器)可能会增加到750亿台。

然而,就目前而言,这些传感器需要经常更换的电池,这对于长期监测来说可能是个问题。

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

这些电池可以在明亮的阳光和较暗的室内条件下为传感器供电。此外,该团队发现太阳能实际上为传感器提供了重大的功率提升,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。了解更多,请关注微信公众号:计算机程序吧。

“未来,我们周围可能会有数十亿个传感器。有了这个规模,你将需要大量的电池,你必须不断地充电。但是,如果您可以使用环境光自供电呢?你可以部署它们,一次忘记它们几个月或几年,“麻省理工学院自动识别实验室的博士生Sai Nithin Kantareddy说。“这项工作基本上是使用能量收集器为一系列应用构建增强型RFID标签。用于“物联网”的光伏传感器

在《先进功能材料》和《IEEE传感器》杂志上发表的两篇论文中,麻省理工学院自动识别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监测室内和室外温度数天的情况。传感器以比传统RFID标签大五倍的距离连续传输数据,无需电池。更长的数据传输范围意味着,除其他外,一个读取器可用于同时从多个传感器收集数据。

根据环境中的某些因素,例如湿度和热量,传感器可以一次在室内或室外放置数月甚至数年,然后才能退化到需要更换的程度。这对于任何需要长期传感的室内和室外应用都很有价值,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。

与Kantareddy一起发表论文的有:机械工程系(MechE)博士后Ian Mathews,研究员Shijing Sun,化学工程专业学生Mariya Layurova,研究员Janak Thapa,研究员Ian Marius Peters和佐治亚理工学院教授Juan-Pablo Correa-Baena,他们都是光伏研究实验室的成员;拉胡尔·巴塔查里亚(Rahul Bhattacharyya),AutoID实验室的研究员;托尼奥·布纳西西(Tonio Buonassisi),机械学教授;以及 Sanjay E. Sarma,Fred Fort Flowers 和 Daniel Fort Flowers 机械工程教授。

结合两种低成本技术

在最近创建自供电传感器的尝试中,其他研究人员使用太阳能电池作为物联网(IoT)设备的能源。但这些基本上是传统太阳能电池的缩小版,而不是钙钛矿。Kantareddy说,传统电池在某些条件下可以高效、持久和强大,“但对于无处不在的物联网传感器来说,这确实是不可行的。

例如,传统的太阳能电池体积庞大且制造成本高昂,而且它们不灵活且无法透明,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。它们实际上也只是为了有效地从强大的阳光中收集能量,而不是从低室内光线中获取能量。

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打印,每个只需几美分;制成薄、柔韧和透明;并经过调整,可以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,RFID标签是用于监控全球数十亿种产品的无电池贴纸。这些贴纸配备了微小的超高频天线,每个天线的制造成本约为三到五美分。

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从标签反射回阅读器来传输数据。一种称为读卡器的无线设备(基本上类似于Wi-Fi路由器)会对标签进行ping操作,该标签会启动并反向散射一个独特的信号,其中包含有关其粘附的产品的信息。

传统上,标签会收集读卡器发送的一点射频能量,为内部存储数据的小芯片供电,并使用剩余的能量来调制返回的信号。但这只相当于几微瓦的功率,这限制了它们的通信范围不到一米。

研究人员的传感器由一个建立在塑料基板上的RFID标签组成。直接连接到标签上的集成电路的是钙钛矿太阳能电池阵列。与传统系统一样,阅读器扫过房间,每个标签都会做出响应。但是,它不是使用来自读取器的能量,而是从钙钛矿电池中获取能量来为其电路供电,并通过反向散射射频信号发送数据。

大规模效率

关键的创新在于定制单元。它们分层制造,钙钛矿材料夹在电极、阴极和特殊的电子传输层材料之间。这实现了大约10%的效率,这对于仍在实验中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细胞以获得最佳的“带隙”,这是一种电子移动特性,决定了细胞在不同照明条件下的性能。然后,他们将这些细胞组合成四个细胞的模块。

在Advanced Functional Materials的论文中,这些模块在一次太阳照射下产生4.3伏的电力,这是太阳能电池在阳光下产生多少电压的标准测量。这足以为电路供电(约1.5伏),并每隔几秒钟发送约5米的数据。这些模块在室内照明中具有相似的性能。IEEE传感器论文主要展示了用于室内应用的宽带隙钙钛矿电池,其实现率在18.5%至21%之间。室内荧光灯照明下的效率为 4%,具体取决于它们产生的电压。从本质上讲,任何光源大约 45 分钟将为室内和室外的传感器供电约三个小时。

研究人员发现了一种解决基于RFID的传感器主要缺点的新方法,据说这些传感器有望减少无线设备和传感器的能源需求,意大利圣安娜高级研究学院信息与感知技术研究所的研究员Francesco Amato说。“尽管过去曾提出过类似的解决方案,但使用钙钛矿光伏电池为RFID IC供电很有趣,因为它占地面积更小,生产成本低,而且在电池的柔性基板上具有卷对卷制造的潜力,”他说。“然而,为了利用这一想法并进一步影响物联网,(制造商)需要做更多的工作来开发具有传感功能的RFID(电路)。…[此外],正如作者所提到的,为了变得完全环保,钙钛矿电池需要变得无铅。

RFID电路的原型设计仅用于监控温度。接下来,研究人员的目标是扩大规模,并在组合中增加更多的环境监测传感器,如湿度、压力、振动和污染。大规模部署后,这些传感器特别有助于在室内进行长期数据收集,以帮助构建有助于提高智能建筑能源效率的算法。

“我们使用的钙钛矿材料作为有效的室内光采集器具有不可思议的潜力。我们的下一步是使用印刷电子方法集成这些相同的技术,有可能实现无线传感器的极低成本制造,“马修斯说。