Science X
2019_280_13
Raziskovalci iz MIT so uspeli razviti nizkocenovne fotonapetostne senzorje za RFID oznake, ki delujejo tako pri sončni svetlobi kot tudi pri zatemnjeni notranji razsvetljavi in ki lahko več let prenašajo podatke, preden je potrebna njihova zamenjava.
Strokovnjaki ocenjujejo, da se bo do leta 2025 na Internet priključenih naprav IoT, vključno s senzorji, ki v realnem času zbirajo podatke o infrastrukturi in okolju, po vsem svetu povečalo na 75 milijard. Vendar pa ti senzorji potrebujejo baterije, ki jih je treba pogosto zamenjati, kar je lahko pri dolgotrajnem spremljanju parametrov precej problematično.
Raziskovalci MIT pa so zdaj zasnovali fotonapetostne senzorje, ki bi lahko potencialno prenašali podatke več let, preden bi jih bilo potrebno zamenjati. Da bi bilo to mogoče, so na poceni oznake za radiofrekvenčno identifikacijo (RFID) kot napravo za pridobivanje in hranjenje potrebne energije namestili tankoslojne celice perovskita, znane po svoji potencialno nizki ceni, prilagodljivosti in sorazmerno enostavnemu postopku izdelave.
Celice bi bile sposobne napajati senzorje tako pri sončni svetlobi kot tudi pri slabši osvetljenosti v notranjih prostorih. Poleg tega je ekipa ugotovila, da sončna energija senzorjem dejansko daje večjo moč, ki omogoča prenos podatkov večje razdalje in možnost integracije več senzorjev v eno RFID oznako.
“V prihodnosti lahko pričakujemo okoli nas milijarde tipal. S tako obsežno mrežo boste potrebovali ogromno baterij, ki jih bo treba nenehno napolniti. Kaj pa, če bi se lahko ti senzorji napajali sami z izkoriščanjem svetlobe v okolici? Lahko bi jih uporabili in takoj pozabili na senzorje za dolge mesece ali celo leta, “pravi Sai Nithin Kantareddy, študent za doktorja znanosti v Auto-ID laboratoriju MIT. “Naše delo je v bistvu temelj za izboljšane različice RFID oznak, ki bodo enega izmed načinov pridobivanja in hranjenja energije iz okolice za svoje lastno delovanje uporabljale v številnih aplikacijah.”
V dveh prispevkih, objavljenih v revijah Advanced Functional Materials in IEEE Sensors, raziskovalci MIT Auto-ID laboratorija in MIT Photovoltaics Research Laboratory opisujejo uporabo senzorjev za večdnevno neprekinjeno spremljanje notranjih in zunanjih temperatur. Senzorji neprekinjeno prenašajo podatke na razdaljah, ki so tudi do petkrat večje od tistih, ki so sicer običajne pri tradicionalnih RFID oznakah in to brez baterij. Daljše razdalje prenosa podatkov med drugim pomenijo, da lahko en čitalnik hkrati zbira podatke iz več senzorjev.
Glede na določene dejavnike v njihovem okolju, na primer vlago in toploto, lahko senzorji ostanejo znotraj ali zunaj mesece ali celo leta, preden se toliko razgradijo, da bi bila potrebna zamenjava. To je lahko zelo pomembno v vseh aplikacijah, ki zahtevajo dolgotrajno delovanje v zaprtih prostorih in na prostem, vključno s sledenjem tovora v dobavnih verigah, spremljanjem parametrov v kmetijstvu in spremljanjem porabe energije, ki jo troši oprema v stavbah in domovih.
Kantareddyju so se v prispevku pridružili Oddelek za strojništvo (MechE) postdoc Ian Matthews, raziskovalec Shijing Sun, študentka kemijskega inženirstva Mariya Layurova, raziskovalec Janak Thapa, raziskovalca Ian Marius Peters in Georgia Tech ter profesor Juan-Pablo Correa-Baena, ki so vsi člani raziskovalnega laboratorija za fotovoltaiko; Rahul Bhattacharyya, raziskovalec v laboratoriju AutoID, Tonio Buonassisi, profesor v MechE ter Sanjay E. Sarma, profesor Fred Fort Flowers in Daniel Fort Flowers, profesorji strojništva.
Združitev dveh nizkocenovnih tehnologij
V preteklih poskusih ustvarjanja senzorjev na lastni pogon so drugi raziskovalci uporabili sončne celice kot vire energije za naprave interneta stvari (IoT). Toda to so v bistvu osiromašene različice tradicionalnih ne-perovskitskih sončnih celic. Tradicionalne celice so sicerpod določenimi pogoji lahko učinkovite, dolgotrajne in močne, “vendar so resnično neizvedljive za pogon vseprisotnih IoT senzorjev,” pravi Kantareddy.
Tradicionalne sončne celice so na primer velike in drage za izdelavo, poleg tega so neprožne in jih ni mogoče narediti prozorne, kar je lahko zelo uporabno pri senzorjih za spremljanje temperature, nameščene na oknih in vetrobranskih steklih avtomobilov. Prav tako so zasnovani predvsem za učinkovito pridobivanje energije iz močne sončne svetlobe ne pa tudi iz šibke svetlobe v zaprtih prostorih.
Po drugi strani je mogoče celice Perovskita natisniti z uporabo enostavnih tehnik izdelave po načelu “roll-to-roll” za nekaj centov, jih izdelati tanke, prožne in prozorne in prilagojene za pridobivanje energije iz katere koli – notranje ali zunanje svetlobe.
Osnovna zamisel je bila torej združitev poceni vira energije z nizkocenovnimi RFID oznakami, ki so v bistvu nalepke brez baterije in jih je mogoče uporabljati za spremljanje milijard izdelkov po vsem svetu. Nalepke so opremljene z drobnimi, visokofrekvenčnimi antenami, katerih izdelava prav tako stane le od tri do pet centov.
RFID oznake se opirajo na komunikacijsko tehniko, imenovano “backscatter”, ki podatke prenaša z odsevanjem moduliranih brezžičnih signalov z oznake spet nazaj na čitalnik. Brezžična naprava, ki se imenuje čitalnik in je v bistvu podoben usmerjevalniku Wi-Fi, naslovi oznako, ki se pri tem vklopi in odda edinstven signal, ki vsebuje podatke o izdelku, na katerega je prilepljena.
Običajno oznake za svoje delovanje porabijo minimalno količino radiofrekvenčne energije, ki jo pošilja čitalnik, da poganja vgrajen majhen čip, ki hrani podatke, vso ostalo energijo pa porabi za modulacijo povratnega signala. Vendar to znaša vsega skupaj le nekaj mikrovatov moči, s čimer je tudi omejen doseg te komunikacije na manj kot meter.
Senzor, ki so ga ustvarili ti raziskovalci, pa je sestavljen iz RFID oznake na plastični podlagi. Z integriranim vezjem na oznaki je neposredno povezan niz perovskitnih sončnih celic. Tako kot pri tradicionalnih sistemih tudi bralnik pregleda prisotnost oznak v svoji bližini in vsaka oznaka se odzove. Vendar – namesto, da bi uporabil energijo iz bralnika, črpa pridobljeno energijo iz perovskitne celice, s katero napaja svoje vezje in odpošlje pripravljene podatke s povratnim RF signalom.
Najprimernejša učinkovitost
Ključne novosti so v prilagojenih celicah. Izdelani so v plasteh s perovskitnim materialom, ki je kot v sendviču med elektrodo, katodo in posebnim vmesnim materialom, ki prenaša elektrone. S tem so dosegli približno 10-odstotno učinkovitost, kar je za še vedno eksperimentalne celice perovskita precej visok odstotek. Ta večplastna struktura je raziskovalcem omogočila tudi to, da vsako celico prilagodijo za delovanje v njenem optimalnem “pasu”, kar je pogojeno z lastnostjo gibanja elektronov, ki narekujejo delovanje celice v različnih svetlobnih pogojih. Nato so celice združili v module s po štirimi celicami.
V prispevku v publikaciji Advanced Functional Materials so objavili meritve, kjer so moduli s sončno osvetlitvijo ustvarili 4,3 volta električne energije, kar je sicer standardna vrednost napetosti, ki jo sončne celice proizvedejo pri sončni svetlobi. To je povsem dovolj za napajanje vezja (okrog 1,5 V) in pošiljanje podatkov z dometom do 5 metrov vsakih nekaj sekund. Moduli so imeli podobne lastnosti tudi pri notranji razsvetljavi. Članek v reviji IEEE sensors je v prvi vrsti pokazal širok razpon uporabnosti perovskitnih celic v notranjih prostorih, ki so pri notranji fluorescenčni osvetlitvi dosegle učinkovitost med 18,5 in 21,4 odstotkov, odvisno od napetosti, ki so jo ustvarile. V bistvu lahko približno 45 minut katerega koli svetlobnega vira približno tri ure napaja senzorje v zaprtih prostorih in na prostem.
Predstavljeno RFID vezje je bilo sestavljeno samo za spremljanje temperature. V prihodnosti želijo raziskovalci nabor možnosti povečati in dodati še več senzorjev za spremljanje okolja, kot so vlaga, tlak, vibracije in onesnaževanje. Senzorji bi bili lahko nameščeni v merilnikih, še posebej pri dolgoročnem zbiranju podatkov v zaprtih prostorih, s tem pa bi pripomogli k ustvarjanju algoritmov, ki bi pomagali pametne zgradbe narediti energetsko bolj učinkovite.
“Perovskitni materiali, ki jih uporabljamo, imajo neverjeten potencial kot učinkovite naprave za zajem energije iz razsvetljave v zaprtih prostorih. Naslednji korak je vključevanje teh istih tehnologij z uporabo metod tiskane elektronike, kar lahko v prihodnosti omogoči izjemno poceni izdelavo brezžičnih senzorjev,” še dodaja Mathews.
Vir: https://techxplore.com/news/2019-09-photovoltaic-powered-sensors-internet.html
