a, Schematisk över OPV-enhetsarkitekturen; b, tillverkat OPV-prov innefattande åtta individuella celler och fyra gemensamma jordkuddar; c, blockschema över multipelinmatningsmultipelutgång (MIMO) synligt ljusdataöverföringssystem; d, experimentell 2-av-2 MIMO-inställning med en enda bildlins; e, uppskattat och uppmätt signal-brusförhållande (SNR) för de två MIMO-kanalerna; f, adaptiv bitladdning applicerad på datakodningsschemat för ortogonal frekvensdelningsmultiplexering (OFDM). De organiska materialen som används i OPV är PTB7-Th och EH-IDTBR. De underbärvågor som uppvisar högsta SNR exponeras för signaler med upp till 256 unika signalkonstellationspunkter som leder till sändning av 8 (log2(256)) bitar per överföringssteg. För jämförelse, on-off-nyckel (OOK) skulle bara tillåta en bit per sändning. I 2-av-2 MIMO-systemet, det finns två oberoende kanaler och följaktligen, det maximala antalet bitar som kan sändas per överföringssteg är 16 i regionerna med hög SNR. Kredit:Iman Tavakkolnia, Lethy K. Jagadamma, Rui Bian, Pavlos P. Manousiadis, Stefan Videv, Graham A. Turnbull, Ifor D. W. Samuel och Harald Haas
Runt världen, det finns för närvarande mer än 18 miljarder internetanslutna mobila enheter. Under de kommande 10 åren, förväntad tillväxt inom Internet of Things (IoT) och i maskinkommunikation i allmänhet, kommer att leda till en värld av hundratals miljarder dataanslutna objekt. Sådan tillväxt ställer till två mycket utmanande problem:
Regelbunden, manuell laddning av alla mobila internetanslutna enheter kommer inte att vara möjlig, och anslutning till elnätet kan inte generellt antas. Därför, många av dessa mobila enheter kommer att behöva kunna skörda energi för att bli till stor del energiautonoma.
I en ny tidning publicerad i Ljus:Vetenskap och tillämpningar , forskare från University of Strathclyde och University of St. Andrews har demonstrerat en solpanel i plast som kombinerar inomhusskörd av optisk energi med att samtidigt ta emot flera höghastighetsdatasignaler genom multipelingång/multipelutgång (MIMO) synligt ljuskommunikation (VLC) ).
Forskningen, ledd av professor Harald Haas från Strathclyde LiFi Research and Development Centre, och professorerna Ifor Samuel och Graham Turnbull vid St. Andrews Organic Semiconductor Centre, tar ett viktigt steg mot det framtida förverkligandet av självförsörjande, dataanslutna enheter.
Forskarteamen visade att organiska solceller (OPV), solceller tillverkade av liknande plastliknande material som de som används i OLED-smarttelefonskärmar, är lämpliga för höghastighets optiska datamottagare som också kan skörda kraft. Genom att använda en optimerad kombination av organiska halvledarmaterial, stabila OPV:er designades och tillverkades för effektiv kraftomvandling av inomhusbelysning. En panel med 4 OPV-celler användes sedan i ett experiment med optisk trådlös kommunikation, ta emot en datahastighet på 363 Mb/s från en array med 4 laserdioder (varje laser sänder en separat signal), samtidigt som den skördar 11 mW optisk effekt.
Prof Turnbull förklarade:"Ekologisk solcell erbjuder en utmärkt plattform för inomhuskraftsutvinning för mobila enheter. Deras fördel gentemot kisel är att materialen kan designas för att uppnå maximal kvanteffektivitet för typiska LED-belysningsvåglängder. I kombination med datamottagningsförmågan, detta öppnar upp en betydande möjlighet för självdrivna Internet of Things-enheter."
Prof Haas sa, "Ekologiska fotovoltaiska celler är mycket attraktiva eftersom de är lätta att tillverka och kan vara flexibla, möjliggör massintegration i internetanslutna enheter. Dessutom, jämfört med oorganiska detektorer, OPV har potential att bli betydligt billigare, vilket är en viktig drivkraft för deras storskaliga kommersiella adoption.
"Kommunikation med synligt ljus ger oreglerad, stora resurser för att lindra nya flaskhalsar i trådlös kapacitet. Självklart, synligt ljus kan också ge energi. För att uppnå båda målen med en enda enhet, det behövs nya solceller. De måste samtidigt kunna skörda energi och upptäcka data i höga hastigheter. Det är därför viktigt att utveckla solceller som har två nyckelegenskaper:(a) de uppvisar en mycket stor elektrisk bandbredd i fotovoltaiskt driftläge, och (b) ha ett stort uppsamlingsområde för att kunna samla ett tillräckligt antal fotoner för att uppnå högt signal-brusförhållande (SNR) och skörda maximal energi från ljus.
"De två kraven utesluter vanligtvis varandra eftersom en stor detektorarea resulterar i en hög kapacitans och därmed låg elektrisk bandbredd. I denna forskning, vi har övervunnit denna grundläggande begränsning genom att använda en rad OPV-celler som en MIMO-mottagare för att etablera flera parallella och oberoende datakanaler samtidigt som vi kan ackumulera den skördade energin från alla individuella solceller. Som vi förstår det, detta har aldrig visats tidigare. Detta arbete lägger därför grunden för skapandet av en mycket stor, massiv MIMO-solcellsmottagare som möjliggör hundratals och potentiellt tusentals individuella dataströmmar samtidigt som man använder det enorma insamlingsområdet för att skörda stora mängder energi från ljus (både databärande och omgivande ljus). Det är tänkbart att förvandla hela väggar till en datadetektor för gigabit per sekund samtidigt som man skördar tillräckligt med energi för att driva många distribuerade intelligenta sensorer, databehandlings- och kommunikationsnoder."
