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Para 2025, los expertos estiman que la cantidad de dispositivos de "Internet de las cosas", incluidos los sensores que recopilan datos en tiempo real sobre la infraestructura y el medio ambiente, podría alcanzar los 75 mil millones en el mundo. Sin embargo, en el estado actual de las cosas, estos sensores requieren baterías que deben reemplazarse con frecuencia, lo que puede ser un problema para el monitoreo a largo plazo.
Los investigadores del MIT han desarrollado sensores fotovoltaicos capaces de transmitir datos durante varios años antes de tener que reemplazarlos. Para hacer esto, montaron células de perovskita de película delgada, conocidas por su bajo costo potencial, flexibilidad y facilidad de fabricación, como dispositivos de recuperación de energía en etiquetas de identificación de radiofrecuencia (RFID) de bajo costo.
Las células podrían alimentar los sensores tanto a la luz solar como en condiciones interiores variables. Además, el equipo descubrió que la energía solar proporciona a los sensores un aumento de potencia significativo que permite mayores distancias de transmisión de datos y la capacidad de integrar múltiples sensores en una sola etiqueta RFID.
"En el futuro, podría haber miles de millones de sensores a nuestro alrededor. Con esta escalera, necesitará muchas baterías que deberá recargar constantemente. Pero, ¿y si pudieras autoalimentarte con luz ambiental? Puede desplegarlos y olvidarlos durante meses, si no años, a la vez ", dice Sai Nithin Kantareddy, estudiante de doctorado en el laboratorio de autoidentificación del MIT. "Este trabajo consiste esencialmente en construir etiquetas RFID mejoradas utilizando dispositivos de recuperación de energía para diversas aplicaciones".
En un par de artículos publicados en revistas. Materiales funcionales avanzados y Sensores IEEE, Investigadores del MIT Auto-ID Laboratory y el MIT Photovoltaics Research Laboratory describen el uso de sensores para monitorear continuamente la temperatura interior y exterior durante varios días. Los sensores transmiten datos continuamente a distancias cinco veces más grandes que las etiquetas RFID tradicionales sin baterías. Los rangos de transmisión de datos más largos significan, entre otras cosas, que un lector puede usarse para recolectar datos de múltiples sensores simultáneamente.
Dependiendo de ciertos factores ambientales, como la humedad y el calor, los sensores pueden dejarse en interiores o exteriores durante meses o incluso años antes de degradarse lo suficiente como para requerir Un reemplazo. Esto puede ser útil para cualquier aplicación que requiera detección a largo plazo, tanto en el interior como en el exterior, incluido el seguimiento de carga en las cadenas de suministro, el monitoreo del suelo y el monitoreo. de energía utilizada por equipos en edificios y casas.
Ian Mathews, investigador del Departamento de Ingeniería Mecánica (MechE), investigador Shijing Sun, investigador químico Mariya Layurova, investigador Janak Thapa, investigador Ian Marius Peters y profesor de Georgia Tech Juan-Pablo Correa-Baena, quien son todos miembros del Laboratorio de Investigación Fotovoltaica; Rahul Bhattacharyya, investigador en el laboratorio AutoID; Tonio Buonassisi, profesor de MECE; y Sanjay E. Sarma, Fred Fort Flowers y el profesor de ingeniería mecánica Daniel Fort Flowers.
Combinando dos tecnologías de bajo costo
En intentos recientes de crear sensores autoalimentados, otros investigadores han utilizado las células solares como fuente de energía para dispositivos de Internet de las cosas (IoT). Pero estas son versiones fundamentalmente reducidas de las células solares tradicionales, no la perovskita. Las células tradicionales pueden ser efectivas, duraderas y potentes bajo ciertas condiciones "pero son realmente imposibles de lograr para muchos sensores IoT", dice Kantareddy.
Las células solares tradicionales, por ejemplo, son voluminosas y caras de fabricar. Además, son inflexibles y no pueden hacerse transparentes, lo que puede ser útil para sensores de monitoreo de temperatura colocados en ventanas y parabrisas de automóviles. Además, solo están diseñados para recolectar energía eficientemente de la luz solar intensa, no de poca luz interior.
Las células de perovskita, por otro lado, se pueden imprimir utilizando técnicas simples de rollo a rollo a razón de unos pocos centavos cada una; hecho delgado, flexible y transparente; y escuchar cosechar la energía de cualquier tipo de iluminación interior y exterior.
La idea era combinar una fuente de energía económica con etiquetas RFID económicas, etiquetas sin batería que se utilizan para monitorear miles de millones de productos en todo el mundo. Las pegatinas están equipadas con pequeñas antenas de microondas que cuestan alrededor de tres a cinco centavos de dólar.
Las etiquetas RFID se basan en una técnica de comunicación llamada "retrodifusión", que transmite datos reflejando señales inalámbricas moduladas en la etiqueta y devolviéndolas a un lector. Un dispositivo inalámbrico llamado reproductor, similar a un enrutador Wi-Fi, hace sonar la etiqueta, que activa y actualiza una sola señal que contiene información sobre el producto en el que se pega.
Tradicionalmente, las etiquetas recuperan parte de la energía de radiofrecuencia enviada por el lector para alimentar un pequeño chip que almacena datos y utiliza la energía restante para modular la señal de retorno. Pero esto representa solo unos pocos microvatios de potencia, lo que limita su rango de comunicación a menos de un metro.
El sensor de los investigadores consiste en una etiqueta RFID construida sobre un sustrato de plástico. Un conjunto de células solares de perovskita está directamente conectado a un circuito integrado en la etiqueta. Al igual que con los sistemas tradicionales, un lector barre la sala y cada baliza responde. Pero en lugar de usar la energía del disco, usa la energía cosechada de la celda de perovskita para alimentar su circuito y enviar datos mediante la retrodispersión de las señales de RF.
Eficiencia a escala
Las innovaciones clave se encuentran en celdas personalizadas. Están hechas en capas, con perovskita intercalada entre un electrodo, un cátodo y materiales especiales para las capas de transporte de electrones. Esto permitió alcanzar una eficiencia de aproximadamente el 10%, que es bastante alta para las células de perovskita aún experimentales. Esta estructura en capas también permitió a los investigadores ajustar cada celda a su "intervalo de banda" óptimo, una propiedad de desplazamiento de electrones que dicta el rendimiento de una celda bajo diferentes condiciones de iluminación. Luego combinaron las celdas en módulos de cuatro celdas.
en el Materiales funcionales avanzados En el papel, los módulos generaron 4,3 voltios de electricidad bajo una sola luz solar, que es una medida estándar del voltaje producido por las células solares bajo los rayos del sol. Eso es suficiente para alimentar un circuito, aproximadamente 1,5 voltios, y enviar datos a unos 5 metros cada pocos segundos. Los módulos tuvieron rendimientos similares en iluminación interior. la Sensores IEEE El documento demostró principalmente células de perovskita de banda ancha para aplicaciones en interiores, con rendimientos que van del 18.5% al 21.4% bajo iluminación fluorescente en interiores, dependiendo del voltaje producido. Aproximadamente 45 minutos desde cualquier fuente de luz alimenta los sensores por dentro y por fuera durante aproximadamente tres horas.
Francesco Amato, investigador del Instituto de Tecnologías de la Información y Percepción de la Salud, explica Francesco Amato, una nueva forma de abordar los principales inconvenientes de los sensores basados en RFID. Anna School of Advanced Studies en Italia. "Aunque se han propuesto soluciones similares en el pasado, el uso de células fotovoltaicas de perovskita para alimentar el circuito integrado RFID es atractivo debido a su pequeño tamaño, sus bajos costos de producción y el potencial para la fabricación de rollo a giro. rodar sobre sustratos flexibles. células ", dice. "Sin embargo, para explotar esta idea y tener un impacto adicional en IoT, es necesario que (los fabricantes) trabajen más en el desarrollo de circuitos RFID con funciones de detección. … (También), como lo mencionan los autores, para convertirse en completamente ecológicas, las células de perovskita deben quedar libres de plomo. "
El circuito RFID ha sido diseñado para monitorear solo la temperatura. Luego, los investigadores pretenden intensificar y agregar otros sensores de monitoreo ambiental, como humedad, presión, vibración y contaminación. Desplegados a gran escala, los sensores podrían ayudar en la recopilación de datos a largo plazo desde el interior para ayudar a construir, por ejemplo, algoritmos para hacer que los edificios inteligentes sean más eficientes energéticamente.
"Los materiales a base de perovskita que utilizamos tienen un potencial increíble como efectivos colectores de luz para interiores. Nuestro siguiente paso es integrar estas mismas tecnologías utilizando métodos electrónicos impresos, lo que potencialmente permite la fabricación de sensores inalámbricos a costos extremadamente bajos ", dijo Mathews.
