К 2025 году, по оценкам экспертов, количество “интернету вещей” устройств, включая датчики, которые в реальном времени собирают информацию о инфраструктуре и окружающей среде — могут вырасти до 75 миллиардов по всему миру. Как она стоит, тем не менее, эти датчики требуют батарей, которые должны быть заменены часто, что может быть проблематичным для долгосрочного мониторинга.
Исследователи Массачусетского технологического института разработали фотоэлектрические датчики с питанием от которые потенциально могли бы передавать данные в течение многих лет, прежде чем они должны быть заменены. Чтобы сделать это, они смонтированы тонкопленочные ячейки перовскита известен их потенциал, низкая стоимость, гибкость и относительная простота изготовления — как энергия-комбайны по недорогой радиочастотной идентификации (RFID-метки).
Клетки может привести датчики в ярком солнечном свете и диммер комнатных условиях. Кроме того, ученые обнаружили в солнечной энергии на самом деле дает датчики мощный импульс энергии, что позволяет больше данных-передача расстояния, а также возможность интеграции нескольких датчиков на одном бирки RFID.
“В будущем, может быть миллиарды датчиков все вокруг нас. С такого масштаба, вам потребуется много батареек, что вам придется постоянно подзаряжать. Но что, если вы могли бы самовластие их с помощью окружающего света? Вы могли бы развернуть их и забыть о них на протяжении нескольких месяцев или лет за один раз”, — говорит Nithin Саи Kantareddy, аспирант Массачусетского технологического института автоматической идентификации лаборатории. “Эта работа в основном здании улучшенные RFID метки с помощью комбайнов энергии для широкого спектра приложений.”
В паре статей, опубликованных в журналах передовые функциональные материалы и датчики с интерфейсом IEEE, МИТ автоматической идентификации лаборатории Массачусетского технологического института и исследовательской лаборатории фотовольтаики исследователи описывают использование датчиков для непрерывного мониторинга крытый и открытый температуры в течение нескольких дней. Датчики передаваемых данных, непрерывно на расстоянии в пять раз больше, чем традиционные RFID-метки — с батареи не требуется. Больше данных-передача диапазоны означает, среди прочего, что один читатель может быть использован для сбора данных от нескольких датчиков одновременно.
В зависимости от определенных факторов их окружающей среды, таких как влажность и тепло, сенсоры можно оставить внутри или снаружи в течение нескольких месяцев или, возможно, годы, прежде чем они достаточно разлагаться, требуют замены. Что может быть ценнее для любых приложений, требующих длительного зондирования, в помещении и на открытом воздухе, в том числе отслеживание груза в цепи поставок, мониторинг состояния почв, мониторинг энергии, используемого оборудования зданий и домов.
Присоединение Kantareddy на документы: инженерно-механический факультет (ц) доктор Иэн Мэтьюз, исследователь Шицзин Солнца, химического машиностроения студентка Мария Layurova, исследователь Агни Тапа, исследователь Ян Мариус Питерс, и технологического института Джорджии профессор Хуан-Пабло Корреа-Баэна, которые являются членами научно-исследовательской лаборатории фотовольтаики; Рахул Бхаттачариа, исследователь в лаборатории AutoID; Тонио Buonassisi, профессор в мече; и Санджай Е. Сарма, Фред Форт-цветы и Даниэль Форт-цветы, профессор машиностроения.
Сочетая два низкозатратных технологий
В последнее время делаются попытки создать автономные датчики, другие исследователи используют солнечные батареи в качестве источников энергии для интернета вещей (IoT) устройств. Но это в основном щуплые-версии традиционных солнечных батарей — не перовскита. Традиционные клетки может быть эффективной, длительной и мощной при определенных условиях“, но реально невозможно за вездесущих Ив датчиков,” Kantareddy говорит.
Традиционные солнечные батареи, например, являются громоздкими и дорогими в производстве, к тому же они не являются гибкими и не могут быть прозрачными, которые могут быть полезны для мониторинга температуры датчиков, расположенных на окнах и стекол автомобиля. Они также действительно только предназначены для эффективного сбора энергии от мощных солнечных лучей, не низкий крытый свет.
Перовскит клеток, с другой стороны, можно напечатать с помощью простой рулонной технологии изготовления на несколько копеек каждый; изготовлен тонкий, гибкий и прозрачный; и настроены для сбора энергии из любого вида внутреннего и наружного освещения.
Идея в том, чтобы было сочетание недорогой источник питания с низким-стоимость RFID-меток, которые находятся батарея-бесплатные наклейки, которые можно использовать, чтобы контролировать миллиарды продукцию по всему миру. Наклейки оснащены крошечный, ультра-высокочастотных антенн, каждая стоимостью от трех до пяти центов.
RFID метки полагаться на технику общения под названием “обратное рассеяние”, что передает данные, отражающие модулированные сигналы от метку и вернуться к читателю. Беспроводное устройство называется ридер — в основном схожи с Wi-Fi-роутер — пингуется тег, который питает и backscatters уникальный сигнал, содержащий информацию о продукте, это все присохло.
Традиционно, теги урожая немного радиочастотной энергии, присланном читателем, для питания небольшой чип внутри, который хранит данные, и использует оставшуюся энергию, чтобы модулировать отраженный сигнал. Но это составляет всего несколько микроватт энергии, что ограничивает их дальность связи менее чем на метр.
Датчик исследователей состоит из RFID-тегов построен на пластиковой подложке. Напрямую подключен к интегрированной цепи на теге-это массив фотоэлементов из перовскита. Как с традиционными системами, читатель проносится по комнате, и каждый тег отвечает. Но вместо того, чтобы использовать энергию от читателя, он привлекает собирают энергию из перовскит ячейка для питания своей схемы и передачи данных по обратному рассеянию сигналов ВЧ.
Эффективность в масштабе
Ключевые новшества в индивидуальные клетки. Они изготовлены в несколько слоев, с перовскита материала, зажатой между электродной, катодной и специальных электронно-транспортного слоя материалов. Это достигается около 10% эффективности, что является достаточно высоким показателем для экспериментальной перовскитных ячеек. Эта структура слоев также позволило исследователям для настройки каждой ячейки для оптимальной “ширины запрещенной зоны”, которая является электрон-подвижные свойства, которое диктует производительность ячейки в разных условиях освещения. Затем они объединили ячейки в модулях из четырех клеток.
В современных функциональных материалов, модулей, генерируемых 4.3 вольт при одном солнечном освещении, что является стандартным для измерения как напряжения, солнечные батареи вырабатывают под воздействием солнечного света. Этого достаточно для питания цепи — около 1,5 вольт и отправлять данные по 5 метров через каждые несколько секунд. Модули были подобные выступления в крытом освещении. Датчики бумаги по стандарту IEEE прежде всего проявляется широкозонных перовскитной ячейки для внутреннего применения, что достигнутые между 18,5% и 21. 4 процента эффективности при комнатном дневного освещения, в зависимости от того, сколько напряжение они создают. По сути, около 45 минут от любого источника света будет мощность датчиков в помещении и на открытом воздухе около трех часов.
RFID-метки цепи был прототип, чтобы только контролировать температуру. Далее ученые намерены расширить и добавить больше окружающей среды-датчики контроля смеси, такие как влажность, давление, вибрации и загрязнения. Развернуть в широких масштабах, датчики особенно может помочь в долгосрочной сбора данных в помещении, чтобы помочь построить, скажем, алгоритмов, которые помогают сделать умные здания более энергоэффективными.
“Перовский материалы, которые мы используем, имеют огромный потенциал в качестве эффективного внутреннего света комбайнов. Наш следующий шаг-интеграция этих же технологий с использованием методами печатной электроники, потенциально позволяющей крайне низкой стоимости производства беспроводных датчиков», — говорит Мэтьюз.
