un, Schema dell'architettura del dispositivo OPV; B, campione OPV fabbricato comprendente otto celle singole e quattro cuscinetti di massa comuni; C, schema a blocchi del sistema di trasmissione dati a luce visibile a più ingressi multipli (MIMO); D, configurazione sperimentale MIMO 2-by-2 con un singolo obiettivo di imaging; e, rapporto segnale-rumore stimato e misurato (SNR) dei due canali MIMO; F, caricamento di bit adattativo applicato allo schema di codifica dei dati OFDM (orthogonal frequency division multiplexing). I materiali organici utilizzati nell'OPV sono PTB7-Th e EH-IDTBR. Le sottoportanti che presentano il SNR più elevato sono esposte a segnali con un massimo di 256 punti di costellazione di segnali univoci che portano alla trasmissione di 8 (log2(256)) bit per fase di trasmissione. Per confronto, la codifica on-off (OOK) consentirebbe solo un bit per trasmissione. Nel sistema MIMO 2x2, ci sono due canali indipendenti e di conseguenza, il numero massimo di bit trasmissibili per passo di trasmissione è 16 nelle regioni ad alto SNR. Credito:Iman Tavakkolnia, Lethy K. Jagadamma, Rui Bian, Pavlos P. Manousiadis, Stefan Videv, Graham A. Turnbull, Ifor D. W. Samuel e Harald Haas
Intorno al mondo, ci sono attualmente più di 18 miliardi di dispositivi mobili connessi a Internet. Nei prossimi 10 anni, crescita prevista nell'Internet of Things (IoT) e nella comunicazione di tipo macchina in generale, porterà a un mondo di centinaia di miliardi di oggetti connessi ai dati. Tale crescita pone due problemi molto impegnativi:
Regolare, la ricarica manuale di tutti i dispositivi mobili connessi a Internet non sarà fattibile, e la connessione alla rete elettrica non può essere generalmente ipotizzata. Perciò, molti di questi dispositivi mobili dovranno essere in grado di raccogliere energia per diventare ampiamente autonomi dal punto di vista energetico.
In un nuovo articolo pubblicato su Luce:scienza e applicazioni , ricercatori dell'Università di Strathclyde e dell'Università di St. Andrews hanno dimostrato un pannello solare in plastica che combina la raccolta di energia ottica interna con la ricezione simultanea di più segnali di dati ad alta velocità tramite comunicazioni a luce visibile (VLC) a più ingressi/uscite multiple (MIMO). ).
La ricerca, guidato dal professor Harald Haas del Centro di ricerca e sviluppo Strathclyde LiFi, e i professori Ifor Samuel e Graham Turnbull presso il St. Andrews Organic Semiconductor Centre, fa un passo importante verso la futura realizzazione di autoalimentati, dispositivi connessi ai dati.
I team di ricerca hanno dimostrato che il fotovoltaico organico (OPV), celle solari realizzate con materiali simili alla plastica simili a quelli utilizzati nei display degli smartphone OLED, sono adatti per ricevitori di dati ottici ad alta velocità che possono anche raccogliere energia. Utilizzando una combinazione ottimizzata di materiali semiconduttori organici, gli OPV stabili sono stati progettati e fabbricati per un'efficiente conversione di potenza dell'illuminazione interna. Un pannello di 4 celle OPV è stato quindi utilizzato in un esperimento di comunicazione wireless ottica, ricevere una velocità di trasmissione dati di 363 Mb/s da un array di 4 diodi laser (ogni laser trasmette un segnale separato), raccogliendo contemporaneamente 11 mW di potenza ottica.
Il professor Turnbull ha spiegato:"Il fotovoltaico organico offre un'eccellente piattaforma per la raccolta di energia interna per i dispositivi mobili. Il loro vantaggio rispetto al silicio è che i materiali possono essere progettati per ottenere la massima efficienza quantica per le tipiche lunghezze d'onda di illuminazione a LED. In combinazione con la capacità di ricezione dei dati, questo apre una significativa opportunità per i dispositivi Internet of Things autoalimentati".
Il professor Haas ha detto, "Le celle fotovoltaiche organiche sono molto attraenti perché sono facilmente realizzabili e possono essere flessibili, consentendo l'integrazione di massa nei dispositivi connessi a Internet. Inoltre, rispetto ai rivelatori inorganici, Gli OPV hanno il potenziale per essere significativamente più economici, che è un fattore chiave per la loro adozione commerciale su larga scala.
"La comunicazione a luce visibile fornisce non regolamentato, vaste risorse per alleviare i colli di bottiglia emergenti della capacità wireless. Certo, anche la luce visibile può fornire energia. Per raggiungere entrambi gli obiettivi con un unico dispositivo, sono necessarie nuove celle solari. Devono essere in grado di raccogliere contemporaneamente energia e rilevare dati ad alta velocità. È quindi essenziale sviluppare celle solari che abbiano due caratteristiche chiave:(a) presentano una larghezza di banda elettrica molto ampia nella modalità di funzionamento fotovoltaica, e (b) avere un'ampia area di raccolta per poter raccogliere un numero sufficiente di fotoni per ottenere un elevato rapporto segnale-rumore (SNR) e raccogliere la massima energia dalla luce.
"I due requisiti in genere si escludono a vicenda perché un'ampia area del rivelatore si traduce in un'elevata capacità e quindi una bassa larghezza di banda elettrica. In questa ricerca, abbiamo superato questa limitazione fondamentale utilizzando un array di celle OPV come ricevitore MIMO per stabilire più canali di dati paralleli e indipendenti pur essendo in grado di accumulare le energie raccolte da tutte le singole celle solari. Al meglio delle nostre conoscenze, questo non è mai stato mostrato prima. Questo lavoro pone quindi le basi per la realizzazione di un grandissimo, un enorme ricevitore a celle solari MIMO che consente centinaia e potenzialmente migliaia di flussi di dati individuali mentre si utilizza l'enorme area di raccolta per raccogliere grandi quantità di energia dalla luce (sia per il trasporto dei dati che per la luce ambientale). È immaginabile trasformare intere pareti in un rilevatore di dati gigabit al secondo raccogliendo energia sufficiente per alimentare molti sensori intelligenti distribuiti, nodi di elaborazione e comunicazione dei dati”.
