據(jù)專家預(yù)測，截止到2025年，全球“物聯(lián)網(wǎng)”設(shè)備的數(shù)量(包括收集有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境實時信息的傳感器)將增加到750億。然而，這些傳感器需要頻繁地更換電池，這不利于設(shè)備的長期監(jiān)測。

麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計了由光伏供電的傳感器，這些傳感器可以在需要更換之前傳輸數(shù)年的數(shù)據(jù)。為此，他們在廉價的射頻識別(RFID)標簽上安裝了薄膜鈣鈦礦電池(以其潛在的低成本，靈活性和相對容易制造而著稱)，作為能量收集器。

電池可以在明亮的陽光下和昏暗的室內(nèi)條件下為傳感器供電。此外，研究小組發(fā)現(xiàn)太陽能實際上為傳感器提供了巨大的功率提升，從而實現(xiàn)了更大的數(shù)據(jù)傳輸距離，并能夠?qū)⒍鄠€傳感器集成到單個RFID標簽上。

“將來，我們周圍可能會有數(shù)十億個傳感器。有了這個秤，您將需要大量的電池，這些電池必須不斷充電。但是，如果您可以使用環(huán)境光為它們自供電呢?您可以部署它們，而一次又忘記幾個月或幾年，”麻省理工學(xué)院自動ID實驗室的博士生Sai Nithin Kantareddy說。“這項工作基本上是使用能量收集器為各種應(yīng)用構(gòu)建增強的RFID標簽。”

麻省理工學(xué)院自動識別實驗室和麻省理工學(xué)院光電研究實驗室的研究人員在《高級功能材料》和《IEEE傳感器》雜志上發(fā)表的兩篇論文中，描述了使用傳感器連續(xù)幾天監(jiān)控室內(nèi)和室外溫度的方法。傳感器連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的距離是傳統(tǒng)RFID標簽的五倍-無需電池。更長的數(shù)據(jù)傳輸范圍尤其意味著可以使用一個讀取器同時從多個傳感器收集數(shù)據(jù)。

取決于環(huán)境中的某些因素(例如濕度和熱量)，傳感器可以在內(nèi)部或外部放置數(shù)月或潛在地數(shù)年，直到它們降解到足以需要更換為止。對于需要在室內(nèi)和室外進行長期傳感的任何應(yīng)用而言，這都是有價值的，包括跟蹤供應(yīng)鏈中的貨物，監(jiān)測土壤以及監(jiān)測建筑物和家庭中設(shè)備使用的能源。

加入Kantareddy的論文有：機械工程系(MechE)博士后Ian Mathews，研究員Shijing Sun，化學(xué)工程學(xué)生Mariya Layurova，研究員Janak Thapa，研究員Ian Marius Peters和喬治亞理工學(xué)院的Juan-Pablo Correa-Baena教授。光伏研究實驗室的所有成員;AutoID實驗室的研究員Rahul Bhattacharyya;MechE教授Tonio Buonassisi;和Sanjay E. Sarma，F(xiàn)red Fort Flowers和Daniel Fort Flowers機械工程學(xué)教授。

結(jié)合兩種低成本技術(shù)

在最近嘗試創(chuàng)建自供電傳感器的嘗試中，其他研究人員已將太陽能電池用作物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備的能源。但是這些基本上是傳統(tǒng)太陽能電池的縮小版本，而不是鈣鈦礦。Kantareddy說，傳統(tǒng)的單元在某些條件下可以高效，持久且功能強大，“但是對于無處不在的物聯(lián)網(wǎng)傳感器來說確實是不可行的”。

例如，傳統(tǒng)的太陽能電池體積龐大且制造昂貴，而且它們不靈活且不能制成透明的，這對于放置在窗戶和汽車擋風玻璃上的溫度監(jiān)測傳感器很有用。實際上，它們還只是設(shè)計為從強大的陽光而不是室內(nèi)低照度有效地收集能量。

另一方面，鈣鈦礦電池可以使用簡單的卷對卷制造技術(shù)進行印刷，每套只需幾美分。變薄，柔軟和透明;并調(diào)整為從任何類型的室內(nèi)和室外照明中收集能量。

當時的想法是將低成本電源與低成本RFID標簽相結(jié)合，后者是無電池標簽，用于監(jiān)控全球數(shù)十億種產(chǎn)品。貼紙上裝有微小的超高頻天線，每個天線的成本約為3至5美分。

RFID標簽依靠一種稱為“反向散射”的通信技術(shù)，該技術(shù)通過將調(diào)制的無線信號反射離開標簽并傳回閱讀器來傳輸數(shù)據(jù)。一種稱為閱讀器的無線設(shè)備(基本上類似于Wi-Fi路由器)對標簽執(zhí)行ping操作，標簽會加電并向后散射一個唯一信號，該信號包含有關(guān)所粘貼產(chǎn)品的信息。

傳統(tǒng)上，標簽會收集閱讀器發(fā)送的少量射頻能量，以為存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)部小芯片加電，并使用剩余的能量來調(diào)制返回信號。但這僅相當于幾微瓦的功率，這限制了它們的通信范圍不到一米。

研究人員的傳感器包括一個構(gòu)建在塑料基板上的RFID標簽。鈣鈦礦太陽能電池陣列直接連接到標簽上的集成電路。與傳統(tǒng)系統(tǒng)一樣，閱讀器會掃蕩整個房間，每個標簽都會響應(yīng)。但是，它沒有使用閱讀器的能量，而是從鈣鈦礦電池中獲取了能量，以使電路通電并通過反向散射RF信號發(fā)送數(shù)據(jù)。

規(guī)模效率

關(guān)鍵創(chuàng)新在于定制單元。它們是分層制造的，鈣鈦礦材料夾在電極，陰極和特殊的電子傳輸層材料之間。這樣可以達到約10%的效率，這對于仍處于實驗狀態(tài)的鈣鈦礦電池來說是相當高的。這種分層結(jié)構(gòu)還使研究人員能夠調(diào)整每個電池的最佳“帶隙”，該帶隙是一種電子移動特性，決定了在不同光照條件下電池的性能。然后，他們將單元合并為四個單元的模塊。

在“高級功能材料”論文中，這些模塊在一次陽光照射下產(chǎn)生了4.3伏的電，這是衡量太陽能電池在陽光下產(chǎn)生多少電壓的標準度量。這足以為電路供電(約1.5伏)，每幾秒鐘發(fā)送一次約5米的數(shù)據(jù)。這些模塊在室內(nèi)照明中具有類似的性能。在IEEE傳感器紙主要證明寬帶隙鈣鈦礦細胞，這取決于它們多少電壓產(chǎn)生18.5%和下室內(nèi)熒光燈21. 4%的效率，這之間實現(xiàn)室內(nèi)應(yīng)用?；旧希魏喂庠吹募s45分鐘將為室內(nèi)和室外的傳感器供電約3個小時。

Sant信息與感知技術(shù)研究所的研究人員Francesco Amato說，研究人員找到了一種解決基于RFID傳感器的主要缺陷的新穎方法，據(jù)稱這有望減少無線設(shè)備和傳感器的能源需求。意大利安娜高級研究學(xué)院。“盡管過去已經(jīng)提出了類似的解決方案，但是由于鈣鈦礦光伏電池的占位面積較小，生產(chǎn)成本低以及在柔性基板上卷對卷制造的潛力，使用鈣鈦礦光伏電池為RFID IC供電很有趣。細胞。”他說。“不過，要利用這一思想并進一步影響物聯(lián)網(wǎng)，(制造商)在開發(fā)具有感應(yīng)功能的RFID [電路]時還需要做更多的工作。……[也]如作者所述，

RFID電路的原型僅用于監(jiān)控溫度。接下來，研究人員旨在擴大規(guī)模，并在混合環(huán)境中添加更多的環(huán)境監(jiān)測傳感器，例如濕度，壓力，振動和污染。這些傳感器被大規(guī)模部署，尤其可以幫助室內(nèi)進行長期數(shù)據(jù)收集，以幫助構(gòu)建算法，例如，幫助提高智能建筑的能源效率。

“我們使用的鈣鈦礦材料作為有效的室內(nèi)光收集器具有巨大的潛力。我們的下一步是使用印刷電子方法集成這些相同的技術(shù)，從而有可能實現(xiàn)極低成本的無線傳感器制造。”馬修斯說。