Senast 2025, experter uppskattar att antalet Internet of Things-enheter – inklusive sensorer som samlar in realtidsdata om infrastruktur och miljö – kan stiga till 75 miljarder världen över. Som det står, dock, dessa sensorer kräver batterier som måste bytas ut ofta, vilket kan vara problematiskt för långtidsövervakning.

MIT-forskare har designat solcellsdrivna sensorer som potentiellt kan överföra data i flera år innan de behöver bytas ut. Att göra så, de monterade tunnfilms-perovskitceller – kända för sin potentiella låga kostnad, flexibilitet, och relativt enkel tillverkning – som energiskördare på billiga radiofrekvensidentifieringsetiketter (RFID).

Cellerna kan driva sensorerna i både starkt solljus och svagare inomhusförhållanden. Dessutom, teamet fann att solenergin faktiskt ger sensorerna en stor kraftökning som möjliggör större dataöverföringsavstånd och möjligheten att integrera flera sensorer på en enda RFID-tagg.

"I framtiden, det kan finnas miljarder sensorer runt omkring oss. Med den skalan, du behöver många batterier som du måste ladda hela tiden. Men tänk om du kunde driva dem själv med hjälp av det omgivande ljuset? Du kan distribuera dem och glömma dem i månader eller år åt gången, " säger Sai Nithin Kantareddy, en Ph.D. student vid MIT Auto-ID Laboratory. "Detta arbete bygger i grunden förbättrade RFID-taggar med hjälp av energiskördare för en rad applikationer."

I ett par artiklar publicerade i tidskrifterna Avancerade funktionella material och IEEE-sensorer , Forskare från MIT Auto-ID Laboratory och MIT Photovoltaics Research Laboratory beskriver hur sensorerna används för att kontinuerligt övervaka inomhus- och utomhustemperaturer under flera dagar. Sensorerna överförde data kontinuerligt på fem gånger större avstånd än traditionella RFID-taggar – utan batterier som behövs. Längre dataöverföringsintervall betyder, bland annat, att en läsare kan användas för att samla in data från flera sensorer samtidigt.

Beroende på vissa faktorer i deras miljö, som fukt och värme, sensorerna kan lämnas inne eller ute i månader eller, potentiellt, år i taget innan de bryts ner tillräckligt för att behöva bytas ut. Det kan vara värdefullt för alla applikationer som kräver långsiktig avkänning, inomhus och utomhus, inklusive spårning av last i leveranskedjor, övervakning av mark, och övervaka den energi som används av utrustning i byggnader och hem.

Som Kantareddy ansluter sig till tidningarna är:Institutionen för maskinteknik (MechE) postdoc Ian Matthews, forskare Shijing Sun, kemiingenjörsstudent Mariya Layurova, forskaren Janak Thapa, forskaren Ian Marius Peters, och Georgia Tech Professor Juan-Pablo Correa-Baena, som alla är medlemmar i Photovoltaics Research Laboratory; Rahul Bhattacharyya, en forskare i AutoID Lab; Tonio Buonassisi, en professor i MechE; och Sanjay E. Sarma, Fred Fort Flowers och Daniel Fort Flowers professor i maskinteknik.

Kombinera två lågkostnadsteknologier

I de senaste försöken att skapa självförsörjande sensorer, andra forskare har använt solceller som energikällor för Internet of Things (IoT)-enheter. Men det är i princip krympta versioner av traditionella solceller – inte perovskit. De traditionella cellerna kan vara effektiva, långvarig, och kraftfull under vissa förhållanden "men är verkligen omöjliga för allestädes närvarande IoT-sensorer, " säger Kantareddy.

Traditionella solceller, till exempel, är skrymmande och dyra att tillverka, plus att de är oflexibla och inte kan göras transparenta, vilket kan vara användbart för temperaturövervakningssensorer placerade på fönster och bilvindrutor. De är egentligen bara designade för att effektivt skörda energi från kraftfullt solljus, inte lågt inomhusljus.

Perovskitceller, å andra sidan, kan skrivas ut med enkla tillverkningstekniker från rulla till rulla för några cent vardera; gjort tunn, flexibel, och transparent; och inställd för att skörda energi från alla typer av inomhus- och utomhusbelysning.

Idén, sedan, kombinerade en lågkostnadsströmkälla med billiga RFID-taggar, som är batterifria klistermärken som används för att övervaka miljarder produkter över hela världen. Klistermärkena är utrustade med små, ultrahögfrekventa antenner som var och en kostar cirka tre till fem cent att tillverka.

RFID-taggar förlitar sig på en kommunikationsteknik som kallas "backscatter, " som överför data genom att reflektera modulerade trådlösa signaler från taggen och tillbaka till en läsare. En trådlös enhet som kallas en läsare - i grunden liknar en Wi-Fi-router - pingar taggen, som startar och backscatrar en unik signal som innehåller information om produkten den har fastnat på.

Traditionellt, taggarna skördar lite av radiofrekvensenergin som skickas av läsaren för att starta ett litet chip inuti som lagrar data, och använder den återstående energin för att modulera den återkommande signalen. Men det motsvarar bara några mikrowatt effekt, vilket begränsar deras kommunikationsräckvidd till mindre än en meter.

Forskarnas sensor består av en RFID-tagg byggd på ett plastsubstrat. Direkt ansluten till en integrerad krets på taggen finns en rad perovskitsolceller. Som med traditionella system, en läsare sopar rummet, och varje tagg svarar. Men istället för att använda energi från läsaren, den hämtar skördad energi från perovskitcellen för att slå på dess krets och skicka data genom att sprida RF-signaler tillbaka.

Effektivitet i stor skala

De viktigaste innovationerna finns i de skräddarsydda cellerna. De är tillverkade i lager, med perovskitmaterial inklämt mellan en elektrod, katod, och speciella material för elektrontransportskikt. Detta uppnådde cirka 10 procent effektivitet, vilket är ganska högt för fortfarande experimentella perovskitceller. Denna lagerstruktur gjorde det också möjligt för forskarna att ställa in varje cell för dess optimala "bandgap, " som är en elektronrörlig egenskap som dikterar en cells prestanda under olika ljusförhållanden. De kombinerade sedan cellerna till moduler med fyra celler.

I dokumentet Advanced Functional Materials, modulerna genererade 4,3 volt elektricitet under en solbelysning, vilket är ett standardmått för hur mycket spänning solceller producerar under solljus. Det räcker för att slå på en krets — cirka 1,5 volt — och skicka data cirka 5 meter med några sekunders mellanrum. Modulerna hade liknande prestanda i inomhusbelysning. IEEE Sensors-papperet visade främst perovskitceller med breda bandgap för inomhusapplikationer som uppnådde mellan 18,5 procent och 21,4 procents effektivitet under lysrörsbelysning inomhus, beroende på hur mycket spänning de genererar. Väsentligen, cirka 45 minuter av valfri ljuskälla kommer att driva sensorerna inomhus och utomhus i cirka tre timmar.

RFID-kretsen var prototyp för att endast övervaka temperaturen. Nästa, forskarna strävar efter att skala upp och lägga till fler miljöövervakningssensorer till mixen, såsom fukt, tryck, vibration, och föroreningar. Utplacerad i stor skala, sensorerna kan särskilt hjälpa till med långsiktig datainsamling inomhus för att hjälpa till att bygga, säga, algoritmer som hjälper till att göra smarta byggnader mer energieffektiva.

"De perovskitmaterial vi använder har en otrolig potential som effektiva skördare för inomhusljus. Vårt nästa steg är att integrera samma teknologier med hjälp av tryckta elektronikmetoder, potentiellt möjliggör extremt låg kostnad tillverkning av trådlösa sensorer, " säger Mathews.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.