D'ici 2025, les experts estiment que le nombre d'appareils de l'Internet des objets, y compris les capteurs qui collectent des données en temps réel sur l'infrastructure et l'environnement, pourrait atteindre 75 milliards dans le monde. Tel qu'il est, cependant, ces capteurs nécessitent des piles qui doivent être remplacées fréquemment, ce qui peut être problématique pour le suivi à long terme.

Les chercheurs du MIT ont conçu des capteurs photovoltaïques qui pourraient potentiellement transmettre des données pendant des années avant de devoir être remplacés. Faire cela, ils ont monté des cellules de pérovskite à couche mince - connues pour leur faible coût potentiel, la flexibilité, et une relative facilité de fabrication, en tant que collecteurs d'énergie sur des étiquettes d'identification par radiofréquence (RFID) peu coûteuses.

Les cellules pourraient alimenter les capteurs à la fois en plein soleil et dans des conditions intérieures plus sombres. De plus, l'équipe a découvert que l'énergie solaire donne en fait aux capteurs une augmentation de puissance majeure qui permet de plus grandes distances de transmission de données et la possibilité d'intégrer plusieurs capteurs sur une seule étiquette RFID.

"À l'avenir, il pourrait y avoir des milliards de capteurs tout autour de nous. Avec cette échelle, vous aurez besoin de beaucoup de batteries que vous devrez recharger constamment. Mais et si vous pouviez les auto-alimenter en utilisant la lumière ambiante ? Vous pourriez les déployer et les oublier pendant des mois ou des années à la fois, " dit Sai Nithin Kantareddy, un doctorat étudiant au laboratoire d'identification automatique du MIT. "Ce travail consiste essentiellement à créer des étiquettes RFID améliorées à l'aide de récupérateurs d'énergie pour une gamme d'applications."

Dans une paire d'articles publiés dans les revues Matériaux fonctionnels avancés et Capteurs IEEE , Les chercheurs du MIT Auto-ID Laboratory et du MIT Photovoltaics Research Laboratory décrivent l'utilisation des capteurs pour surveiller en continu les températures intérieures et extérieures sur plusieurs jours. Les capteurs ont transmis des données en continu à des distances cinq fois supérieures à celles des étiquettes RFID traditionnelles, sans avoir besoin de piles. Des plages de transmission de données plus longues signifient, entre autres, qu'un lecteur peut être utilisé pour collecter les données de plusieurs capteurs simultanément.

En fonction de certains facteurs de leur environnement, comme l'humidité et la chaleur, les capteurs peuvent être laissés à l'intérieur ou à l'extérieur pendant des mois ou, potentiellement, années à la fois avant de se dégrader suffisamment pour nécessiter un remplacement. Cela peut être utile pour toute application nécessitant une détection à long terme, à l'intérieur et à l'extérieur, y compris le suivi des marchandises dans les chaînes d'approvisionnement, surveillance du sol, et la surveillance de l'énergie utilisée par les équipements dans les bâtiments et les maisons.

Rejoindre Kantareddy sur les papiers sont:Département de génie mécanique (MechE) postdoc Ian Matthews, chercheur Shijing Sun, étudiante en génie chimique Mariya Layurova, chercheur Janak Thapa, chercheur Ian Marius Peters, et le professeur de Georgia Tech Juan-Pablo Correa-Baena, qui sont tous membres du Laboratoire de Recherche Photovoltaïque; Rahul Bhattacharyya, un chercheur au AutoID Lab; Tonio Buonassisi, un professeur en MechE; et Sanjay E. Sarma, les professeurs Fred Fort Flowers et Daniel Fort Flowers de génie mécanique.

Combiner deux technologies low-cost

Dans les tentatives récentes de créer des capteurs auto-alimentés, d'autres chercheurs ont utilisé des cellules solaires comme sources d'énergie pour les appareils de l'Internet des objets (IoT). Mais ce sont essentiellement des versions réduites des cellules solaires traditionnelles, pas de la pérovskite. Les cellules traditionnelles peuvent être efficaces, durable, et puissants sous certaines conditions " mais sont vraiment infaisables pour les capteurs IoT omniprésents, " dit Kantareddy.

Cellules solaires traditionnelles, par exemple, sont encombrants et coûteux à fabriquer, de plus, ils sont rigides et ne peuvent pas être rendus transparents, ce qui peut être utile pour les capteurs de température placés sur les vitres et les pare-brise des voitures. Ils sont également conçus uniquement pour récupérer efficacement l'énergie de la lumière solaire puissante, pas de faible luminosité intérieure.

Cellules pérovskites, d'autre part, peuvent être imprimés à l'aide de techniques de fabrication roll-to-roll faciles pour quelques centimes chacun; rendu mince, souple, et transparent; et réglé pour récupérer l'énergie de tout type d'éclairage intérieur et extérieur.

L'idée, alors, combinait une source d'alimentation à faible coût avec des étiquettes RFID à faible coût, qui sont des autocollants sans batterie utilisés pour surveiller des milliards de produits dans le monde. Les autocollants sont équipés de minuscules, des antennes ultra-haute fréquence qui coûtent chacune environ trois à cinq cents à fabriquer.

Les étiquettes RFID reposent sur une technique de communication appelée "backscatter, " qui transmet des données en reflétant les signaux sans fil modulés de l'étiquette vers un lecteur. Un appareil sans fil appelé lecteur, essentiellement similaire à un routeur Wi-Fi, envoie une requête ping à l'étiquette, qui allume et rétrodiffuse un signal unique contenant des informations sur le produit auquel il est collé.

Traditionnellement, les tags récupèrent un peu de l'énergie radiofréquence envoyée par le lecteur pour alimenter une petite puce à l'intérieur qui stocke les données, et utilise l'énergie restante pour moduler le signal de retour. Mais cela ne représente que quelques microwatts de puissance, ce qui limite leur portée de communication à moins d'un mètre.

Le capteur des chercheurs consiste en une étiquette RFID construite sur un substrat en plastique. Un réseau de cellules solaires à pérovskite est directement connecté à un circuit intégré sur l'étiquette. Comme pour les systèmes traditionnels, un lecteur balaie la pièce, et chaque balise répond. Mais au lieu d'utiliser l'énergie du lecteur, il tire l'énergie récupérée de la cellule pérovskite pour alimenter son circuit et envoyer des données en rétrodiffusion des signaux RF.

Efficacité à grande échelle

Les innovations clés se trouvent dans les cellules personnalisées. Ils sont fabriqués en couches, avec un matériau pérovskite pris en sandwich entre une électrode, cathode, et des matériaux spéciaux de couche de transport d'électrons. Cela a atteint environ 10 pour cent d'efficacité, ce qui est assez élevé pour les cellules pérovskites encore expérimentales. Cette structure en couches a également permis aux chercheurs de régler chaque cellule pour sa "bande interdite, " qui est une propriété de déplacement d'électrons qui dicte les performances d'une cellule dans différentes conditions d'éclairage. Ils ont ensuite combiné les cellules en modules de quatre cellules.

Dans le document Advanced Functional Materials, les modules ont généré 4,3 volts d'électricité sous un seul éclairage solaire, qui est une mesure standard de la tension produite par les cellules solaires sous la lumière du soleil. C'est suffisant pour alimenter un circuit - environ 1,5 volts - et envoyer des données à environ 5 mètres toutes les quelques secondes. Les modules avaient des performances similaires en éclairage intérieur. L'article de l'IEEE Sensors a principalement démontré des cellules de pérovskite à large bande interdite pour les applications intérieures qui ont atteint entre 18,5 % et 21,4 % d'efficacité sous un éclairage fluorescent intérieur, en fonction de la tension qu'ils génèrent. Essentiellement, environ 45 minutes de n'importe quelle source lumineuse alimenteront les capteurs à l'intérieur et à l'extérieur pendant environ trois heures.

Le circuit RFID a été prototypé pour surveiller uniquement la température. Prochain, les chercheurs visent à augmenter et à ajouter plus de capteurs de surveillance environnementale au mélange, comme l'humidité, pression, vibration, et la pollution. Déployé à grande échelle, les capteurs pourraient particulièrement aider à la collecte de données à long terme à l'intérieur pour aider à construire, dire, algorithmes qui aident à rendre les bâtiments intelligents plus économes en énergie.

« Les matériaux de pérovskite que nous utilisons ont un potentiel incroyable en tant que capteurs efficaces de lumière intérieure. Notre prochaine étape consiste à intégrer ces mêmes technologies à l'aide de méthodes d'électronique imprimée, permettant potentiellement la fabrication à très faible coût de capteurs sans fil, ", dit Mathew.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.