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 aumentar a 75 mil millones en todo el mundo. Tal y como está, sin embargo, esos sensores requieren baterías que deben reemplazarse con frecuencia, lo que puede resultar problemático para el seguimiento a largo plazo.

Los investigadores del MIT han diseñado sensores alimentados por energía fotovoltaica que podrían transmitir datos durante años antes de que necesiten ser reemplazados. Para hacerlo montaron células de perovskita de película delgada, conocidas por su bajo costo potencial, flexibilidad, y relativa facilidad de fabricación, como recolectores de energía en etiquetas económicas de identificación por radiofrecuencia (RFID).

Las células podrían alimentar los sensores tanto en condiciones de luz solar intensa como en interiores más tenues. Es más, El equipo descubrió que la energía solar en realidad les da a los sensores un gran impulso de potencia 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 esa escala Necesitarás muchas baterías que tendrás que recargar constantemente. Pero, ¿y si pudieras autoalimentarlos usando la luz ambiental? Puede implementarlos y olvidarlos durante meses o años a la vez, "dice Sai Nithin Kantareddy, un doctorado estudiante en el Laboratorio de Auto-ID del MIT. "Este trabajo consiste básicamente en construir etiquetas RFID mejoradas utilizando recolectores de energía para una variedad de aplicaciones".

En un par de artículos publicados en revistas Materiales funcionales avanzados y Sensores IEEE , Los investigadores del MIT Auto-ID Laboratory y del MIT Photovoltaics Research Laboratory describen el uso de sensores para monitorear continuamente las temperaturas interiores y exteriores durante varios días. Los sensores transmitían datos continuamente a distancias cinco veces mayores que las etiquetas RFID tradicionales, sin necesidad de baterías. Los rangos de transmisión de datos más largos significan, entre otras cosas, que un lector se puede utilizar para recopilar datos de varios sensores simultáneamente.

Dependiendo de ciertos factores en su entorno, como la humedad y el calor, los sensores se pueden dejar adentro o afuera durante meses o, potencialmente, años a la vez antes de que se degraden lo suficiente como para requerir reemplazo. Eso puede ser valioso para cualquier aplicación que requiera detección a largo plazo, en interiores y al aire libre, incluido el seguimiento de la carga en las cadenas de suministro, monitoreo del suelo, y monitorear la energía utilizada por los equipos en edificios y hogares.

Junto a Kantareddy en los artículos están:Departamento de Ingeniería Mecánica (MechE) postdoctorado Ian Matthews, investigador Shijing Sun, estudiante de ingeniería química Mariya Layurova, investigador Janak Thapa, investigador Ian Marius Peters, y el profesor de Georgia Tech Juan-Pablo Correa-Baena, que son todos miembros del Laboratorio de Investigación Fotovoltaica; Rahul Bhattacharyya, investigador del AutoID Lab; Tonio Buonassisi, profesor en MechE; y Sanjay E. Sarma, los profesores Fred Fort Flowers y Daniel Fort Flowers de Ingeniería Mecánica.

Combinando dos tecnologías de bajo costo

En intentos recientes de crear sensores autoamplificados, otros investigadores han utilizado células solares como fuentes de energía para dispositivos de Internet de las cosas (IoT). Pero esas son básicamente versiones reducidas de las células solares tradicionales, no perovskita. Las celdas tradicionales pueden ser eficientes, duradero, y potentes en determinadas condiciones ", pero en realidad no son factibles para los sensores de IoT ubicuos, "Dice Kantareddy.

Células solares tradicionales, por ejemplo, son voluminosos y costosos de fabricar, además, son inflexibles y no pueden hacerse transparentes, que puede ser útil para sensores de monitoreo de temperatura colocados en ventanas y parabrisas de automóviles. También están realmente diseñados solo para recolectar energía de manera eficiente de la potente luz solar, no poca luz interior.

Células de perovskita, por otra parte, se puede imprimir utilizando técnicas sencillas de fabricación de rollo a rollo por unos pocos centavos cada una; hecho delgado, flexible, y transparente; y sintonizados para recolectar energía de cualquier tipo de iluminación interior y exterior.

La idea, luego, combinaba una fuente de energía de bajo costo con etiquetas RFID de bajo costo, que son pegatinas sin batería que se utilizan para controlar miles de millones de productos en todo el mundo. Las pegatinas están equipadas con pequeños, antenas de ultra alta frecuencia cuya fabricación cuesta entre tres y cinco centavos cada una.

Las etiquetas RFID se basan en una técnica de comunicación llamada "retrodispersión, "que transmite datos reflejando señales inalámbricas moduladas de la etiqueta y de regreso a un lector. Un dispositivo inalámbrico llamado lector, básicamente similar a un enrutador Wi-Fi, hace ping en la etiqueta, que enciende y atrae una señal única que contiene información sobre el producto al que está adherido.

Tradicionalmente, las etiquetas recolectan un poco de la energía de radiofrecuencia enviada por el lector para encender un pequeño chip dentro que almacena datos, y utiliza la energía restante para modular la señal de retorno. Pero eso equivale a 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. Directamente conectado a un circuito integrado en la etiqueta hay una serie de células solares de perovskita. Al igual que con los sistemas tradicionales, un lector barre la habitación, y cada etiqueta responde. Pero en lugar de usar la energía del lector, extrae la energía recolectada de la celda de perovskita para encender su circuito y enviar datos mediante la retrodispersión de señales de RF.

Eficiencia a escala

Las innovaciones clave están en las celdas personalizadas. Están fabricados en capas con material de perovskita intercalado entre un electrodo, cátodo, y materiales especiales de capa de transporte de electrones. Esto logró aproximadamente un 10 por ciento de eficiencia, que es bastante alto para las células de perovskita todavía experimentales. Esta estructura de capas también permitió a los investigadores ajustar cada celda para su óptima "banda prohibida, “que es una propiedad de movimiento de electrones que dicta el desempeño de una celda en diferentes condiciones de iluminación. Luego combinaron las celdas en módulos de cuatro celdas.

En el documento Materiales funcionales avanzados, los módulos generaron 4,3 voltios de electricidad bajo una iluminación solar, que es una medida estándar de la cantidad de voltaje que producen las células solares bajo la luz solar. Eso es suficiente para encender un circuito (alrededor de 1,5 voltios) y enviar datos a unos 5 metros cada pocos segundos. Los módulos tuvieron prestaciones similares en iluminación interior. El artículo de IEEE Sensors demostró principalmente celdas de perovskita de banda ancha para aplicaciones en interiores que lograron entre el 18,5% y el 21,4% de eficiencia bajo iluminación fluorescente interior. dependiendo de cuánto voltaje generen. Esencialmente, Aproximadamente 45 minutos de cualquier fuente de luz alimentarán los sensores en interiores y exteriores durante aproximadamente tres horas.

El circuito RFID se diseñó para controlar únicamente la temperatura. Próximo, los investigadores apuntan a escalar y agregar más sensores de monitoreo ambiental a la mezcla, como la humedad, presión, vibración, y contaminación. Implementado a escala, Los sensores podrían ayudar especialmente en la recopilación de datos a largo plazo en interiores para ayudar a construir, decir, algoritmos que ayudan a que los edificios inteligentes sean más eficientes energéticamente.

"Los materiales de perovskita que utilizamos tienen un potencial increíble como recolectores de luz interior efectivos. Nuestro siguiente paso es integrar estas mismas tecnologías utilizando métodos electrónicos impresos, potencialmente permitiendo la fabricación de sensores inalámbricos a un costo extremadamente bajo, "Dice Mathews.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.