Entro il 2025, gli esperti stimano che il numero di dispositivi Internet of Things, inclusi i sensori che raccolgono dati in tempo reale sull'infrastruttura e sull'ambiente, potrebbe raggiungere i 75 miliardi in tutto il mondo. Così com'è, però, quei sensori richiedono batterie che devono essere sostituite frequentemente, che può essere problematico per il monitoraggio a lungo termine.

I ricercatori del MIT hanno progettato sensori alimentati dal fotovoltaico che potrebbero potenzialmente trasmettere dati per anni prima di dover essere sostituiti. Fare così, hanno montato celle di perovskite a film sottile, note per il loro potenziale basso costo, flessibilità, e relativa facilità di fabbricazione, come raccoglitori di energia su etichette di identificazione a radiofrequenza (RFID) poco costose.

Le celle potrebbero alimentare i sensori sia in condizioni di luce solare intensa che in condizioni di scarsa illuminazione. Inoltre, il team ha scoperto che l'energia solare fornisce effettivamente ai sensori un notevole aumento di potenza che consente maggiori distanze di trasmissione dei dati e la capacità di integrare più sensori su un singolo tag RFID.

"Nel futuro, potrebbero esserci miliardi di sensori intorno a noi. Con quella scala, avrai bisogno di molte batterie che dovrai ricaricare costantemente. E se potessi autoalimentarli usando la luce ambientale? Potresti distribuirli e dimenticarli per mesi o anni alla volta, "dice Sai Nithin Kantareddy, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di identificazione automatica del MIT. "Questo lavoro consiste essenzialmente nella creazione di tag RFID avanzati utilizzando raccoglitori di energia per una vasta gamma di applicazioni".

In un paio di articoli pubblicati sulle riviste Materiali funzionali avanzati e Sensori IEEE , I ricercatori del MIT Auto-ID Laboratory e del MIT Photovoltaics Research Laboratory descrivono l'utilizzo dei sensori per monitorare continuamente le temperature interne ed esterne per diversi giorni. I sensori trasmettevano dati continuamente a distanze cinque volte superiori rispetto ai tradizionali tag RFID, senza bisogno di batterie. Intervalli di trasmissione dati più lunghi significano, tra l'altro, che un lettore può essere utilizzato per raccogliere dati da più sensori contemporaneamente.

A seconda di alcuni fattori nel loro ambiente, come umidità e calore, i sensori possono essere lasciati all'interno o all'esterno per mesi oppure, potenzialmente, anni alla volta prima che si degradino abbastanza da richiedere la sostituzione. Ciò può essere prezioso per qualsiasi applicazione che richieda un rilevamento a lungo termine, interni ed esterni, compreso il monitoraggio del carico nelle catene di approvvigionamento, monitoraggio del suolo, e il monitoraggio dell'energia utilizzata dalle apparecchiature negli edifici e nelle abitazioni.

Ad unirsi a Kantareddy sulle carte ci sono:Department of Mechanical Engineering (MechE) postdoc Ian Matthews, ricercatore Shijing Sun, la studentessa di ingegneria chimica Mariya Layurova, ricercatore Janak Thapa, ricercatore Ian Marius Peters, e il professore di tecnologia della Georgia Juan-Pablo Correa-Baena, che sono tutti membri del Laboratorio di Ricerca sul Fotovoltaico; Rahul Bhattacharyya, un ricercatore nel Laboratorio AutoID; Tonio Buonassisi, un professore di MechE; e Sanjay E. Sarma, il professore di ingegneria meccanica Fred Fort Flowers e Daniel Fort Flowers.

Combinando due tecnologie a basso costo

Nei recenti tentativi di creare sensori autoalimentati, altri ricercatori hanno utilizzato le celle solari come fonti di energia per i dispositivi Internet of Things (IoT). Ma queste sono fondamentalmente versioni ridotte delle celle solari tradizionali, non perovskite. Le celle tradizionali possono essere efficienti, di lunga durata, e potenti in determinate condizioni "ma sono davvero irrealizzabili per i sensori IoT onnipresenti, " dice Kantareddy.

Celle solari tradizionali, ad esempio, sono ingombranti e costosi da produrre, inoltre sono inflessibili e non possono essere resi trasparenti, che può essere utile per i sensori di monitoraggio della temperatura posti sui finestrini e sui parabrezza delle auto. Sono inoltre progettati solo per raccogliere in modo efficiente l'energia dalla potente luce solare, luce interna non bassa.

cellule di perovskite, d'altra parte, possono essere stampati utilizzando semplici tecniche di produzione roll-to-roll per pochi centesimi ciascuno; reso sottile, flessibile, e trasparente; e sintonizzato per raccogliere energia da qualsiasi tipo di illuminazione interna ed esterna.

L'idea, poi, stava combinando una fonte di alimentazione a basso costo con tag RFID a basso costo, che sono adesivi senza batteria utilizzati per monitorare miliardi di prodotti in tutto il mondo. Gli adesivi sono dotati di piccoli, antenne ad altissima frequenza che costano da tre a cinque centesimi ciascuna.

I tag RFID si basano su una tecnica di comunicazione chiamata "backscatter, " che trasmette i dati riflettendo i segnali wireless modulati dal tag e di nuovo a un lettore. Un dispositivo wireless chiamato lettore, sostanzialmente simile a un router Wi-Fi, esegue il ping del tag, che accende e diffonde un segnale univoco contenente informazioni sul prodotto a cui è attaccato.

Tradizionalmente, i tag raccolgono un po' dell'energia a radiofrequenza inviata dal lettore per alimentare un piccolo chip all'interno che memorizza i dati, e utilizza l'energia rimanente per modulare il segnale di ritorno. Ma ciò equivale a solo pochi microwatt di potenza, che limita il loro raggio di comunicazione a meno di un metro.

Il sensore dei ricercatori è costituito da un tag RFID costruito su un substrato di plastica. Direttamente collegato a un circuito integrato sull'etichetta c'è una serie di celle solari in perovskite. Come con i sistemi tradizionali, un lettore spazza la stanza, e ogni tag risponde. Ma invece di usare l'energia del lettore, trae energia raccolta dalla cella di perovskite per alimentare il suo circuito e inviare dati mediante retrodiffusione di segnali RF.

Efficienza su larga scala

Le innovazioni chiave sono nelle celle personalizzate. Sono fabbricati a strati, con materiale perovskite inserito tra un elettrodo, catodo, e materiali speciali per strati di trasporto di elettroni. Ciò ha raggiunto circa il 10 percento di efficienza, che è abbastanza alto per le cellule di perovskite ancora sperimentali. Questa struttura a strati ha anche permesso ai ricercatori di mettere a punto ogni cellula per il suo "bandgap" ottimale, " che è una proprietà di movimento degli elettroni che determina le prestazioni di una cella in diverse condizioni di illuminazione. Hanno quindi combinato le celle in moduli di quattro celle.

Nel documento Materiali funzionali avanzati, i moduli hanno generato 4,3 volt di elettricità sotto un'illuminazione solare, che è una misura standard per la quantità di tensione prodotta dalle celle solari sotto la luce del sole. È sufficiente per alimentare un circuito, circa 1,5 volt, e inviare dati a circa 5 metri ogni pochi secondi. I moduli avevano prestazioni simili nell'illuminazione di interni. Il documento IEEE Sensors ha dimostrato principalmente celle di perovskite a banda larga per applicazioni interne che hanno raggiunto tra il 18,5% e il 21,4% di efficienza con illuminazione fluorescente interna, a seconda di quanta tensione generano. Essenzialmente, circa 45 minuti di qualsiasi fonte di luce alimenteranno i sensori all'interno e all'esterno per circa tre ore.

Il circuito RFID è stato prototipato per monitorare solo la temperatura. Prossimo, i ricercatori mirano ad ampliare e aggiungere più sensori di monitoraggio ambientale al mix, come l'umidità, pressione, vibrazione, e inquinamento. Distribuito su larga scala, i sensori potrebbero essere particolarmente utili nella raccolta dati a lungo termine in ambienti chiusi per aiutare a costruire, dire, algoritmi che aiutano a rendere gli edifici intelligenti più efficienti dal punto di vista energetico.

"I materiali di perovskite che utilizziamo hanno un potenziale incredibile come efficaci raccoglitori di luce per interni. Il nostro prossimo passo è integrare queste stesse tecnologie utilizzando metodi elettronici stampati, potenzialmente consentendo la produzione di sensori wireless a costi estremamente bassi, "dice Matteo.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.