Em 2025, Os especialistas estimam que o número de dispositivos da Internet das Coisas - incluindo sensores que reúnem dados em tempo real sobre infraestrutura e meio ambiente - pode chegar a 75 bilhões em todo o mundo. Do jeito que está, Contudo, esses sensores requerem baterias que devem ser substituídas com frequência, o que pode ser problemático para monitoramento de longo prazo.

Os pesquisadores do MIT desenvolveram sensores movidos a energia fotovoltaica que poderiam transmitir dados por anos antes de precisarem ser substituídos. Para fazer isso, eles montaram células de perovskita de filme fino - conhecidas por seu baixo custo potencial, flexibilidade, e relativa facilidade de fabricação - como coletores de energia em etiquetas de identificação por radiofrequência (RFID) de baixo custo.

As células poderiam alimentar os sensores tanto em luz solar intensa quanto em condições internas mais escuras. Além disso, a equipe descobriu que a energia solar realmente dá aos sensores um grande impulso de energia que permite maiores distâncias de transmissão de dados e a capacidade de integrar vários sensores em uma única etiqueta RFID.

"No futuro, pode haver bilhões de sensores ao nosso redor. Com essa escala, você vai precisar de muitas baterias que você terá que recarregar constantemente. Mas e se você pudesse autoalimentá-los usando a luz ambiente? Você pode implantá-los e esquecê-los por meses ou anos seguidos, "diz Sai Nithin Kantareddy, um Ph.D. estudante do Laboratório de Auto-ID do MIT. "Este trabalho é basicamente construir etiquetas RFID aprimoradas usando coletores de energia para uma variedade de aplicações."

Em um par de artigos publicados em periódicos Materiais Funcionais Avançados e Sensores IEEE , Os pesquisadores do MIT Auto-ID Laboratory e do MIT Photovoltaics Research Laboratory descrevem o uso de sensores para monitorar continuamente as temperaturas internas e externas ao longo de vários dias. Os sensores transmitiram dados continuamente a distâncias cinco vezes maiores do que as etiquetas RFID tradicionais - sem a necessidade de baterias. Intervalos de transmissão de dados mais longos significam, entre outras coisas, que um leitor pode ser usado para coletar dados de vários sensores simultaneamente.

Dependendo de certos fatores em seu ambiente, como umidade e calor, os sensores podem ser deixados dentro ou fora por meses ou, potencialmente, anos de cada vez antes de se degradarem o suficiente para exigir a substituição. Isso pode ser valioso para qualquer aplicação que requeira detecção de longo prazo, dentro e fora de casa, incluindo rastreamento de carga nas cadeias de abastecimento, monitoramento do solo, e monitoramento da energia utilizada por equipamentos em prédios e residências.

Juntando-se a Kantareddy nos papéis estão:Pós-doutorado do Departamento de Engenharia Mecânica (MechE) Ian Matthews, pesquisador Shijing Sun, a estudante de engenharia química Mariya Layurova, pesquisador Janak Thapa, pesquisador Ian Marius Peters, e o professor Juan-Pablo Correa-Baena da Georgia Tech, que são todos membros do Laboratório de Pesquisa Fotovoltaica; Rahul Bhattacharyya, pesquisador do AutoID Lab; Tonio Buonassisi, um professor em MechE; e Sanjay E. Sarma, o Fred Fort Flowers e Daniel Fort Flowers Professor de Engenharia Mecânica.

Combinando duas tecnologias de baixo custo

Em tentativas recentes de criar sensores com alimentação própria, outros pesquisadores usaram células solares como fontes de energia para dispositivos de Internet das Coisas (IoT). Mas essas são basicamente versões reduzidas de células solares tradicionais - não perovskita. As células tradicionais podem ser eficientes, de longa duração, e poderosos sob certas condições ", mas são realmente inviáveis ​​para sensores IoT onipresentes, "Kantareddy diz.

Células solares tradicionais, por exemplo, são volumosos e caros de fabricar, além disso, são inflexíveis e não podem ser transparentes, que pode ser útil para sensores de monitoramento de temperatura colocados em janelas e pára-brisas de carros. Eles também são realmente projetados apenas para coletar de forma eficiente a energia da poderosa luz do sol, não é baixa luz interior.

Células perovskita, por outro lado, pode ser impresso usando técnicas fáceis de fabricação rolo a rolo por alguns centavos cada; feito fino, flexível, e transparente; e ajustado para coletar energia de qualquer tipo de iluminação interna e externa.

A ideia, então, estava combinando uma fonte de energia de baixo custo com etiquetas RFID de baixo custo, que são adesivos sem bateria usados ​​para monitorar bilhões de produtos em todo o mundo. Os adesivos são equipados com pequenos, antenas de ultra-alta frequência que custam cada uma em torno de três a cinco centavos para serem fabricadas.

As etiquetas RFID contam com uma técnica de comunicação chamada "retroespalhamento, "que transmite dados refletindo os sinais sem fio modulados da tag e de volta para um leitor. Um dispositivo sem fio chamado leitor - basicamente semelhante a um roteador Wi-Fi - faz ping na tag, que ativa e retransmite um sinal exclusivo contendo informações sobre o produto ao qual está preso.

Tradicionalmente, as tags coletam um pouco da energia de radiofrequência enviada pelo leitor para ligar um pequeno chip interno que armazena os dados, e usa a energia restante para modular o sinal de retorno. Mas isso equivale a apenas alguns microwatts de potência, o que limita seu alcance de comunicação a menos de um metro.

O sensor dos pesquisadores consiste em uma etiqueta RFID construída em um substrato de plástico. Diretamente conectada a um circuito integrado na etiqueta está um conjunto de células solares de perovskita. Tal como acontece com os sistemas tradicionais, um leitor varre a sala, e cada tag responde. Mas em vez de usar a energia do leitor, ele puxa a energia coletada da célula perovskita para ligar seu circuito e enviar dados por retroespalhamento de sinais de RF.

Eficiência em escala

As principais inovações estão nas células personalizadas. Eles são fabricados em camadas, com material perovskita imprensado entre um eletrodo, cátodo, e materiais especiais da camada de transporte de elétrons. Isso alcançou cerca de 10 por cento de eficiência, que é bastante alto para células de perovskita ainda experimentais. Essa estrutura em camadas também permitiu aos pesquisadores sintonizar cada célula para seu "bandgap" ideal, "que é uma propriedade de movimentação de elétrons que dita o desempenho de uma célula em diferentes condições de iluminação. Eles então combinaram as células em módulos de quatro células.

No artigo de Materiais Funcionais Avançados, os módulos geraram 4,3 volts de eletricidade sob uma iluminação solar, que é uma medida padrão para quanta voltagem as células solares produzem sob a luz solar. Isso é o suficiente para ligar um circuito - cerca de 1,5 volts - e enviar dados a cerca de 5 metros a cada poucos segundos. Os módulos tiveram desempenhos semelhantes na iluminação interna. O artigo IEEE Sensors demonstrou principalmente células de perovskita de banda larga para aplicações internas que alcançaram entre 18,5 por cento e 21,4 por cento de eficiência sob iluminação fluorescente interna, dependendo de quanta tensão eles geram. Essencialmente, cerca de 45 minutos de qualquer fonte de luz alimentará os sensores em ambientes internos e externos por cerca de três horas.

O circuito RFID foi prototipado para monitorar apenas a temperatura. Próximo, os pesquisadores pretendem ampliar e adicionar mais sensores de monitoramento ambiental à mistura, como umidade, pressão, vibração, e poluição. Implantado em escala, os sensores podem ajudar especialmente na coleta de dados de longo prazo em ambientes fechados para ajudar a construir, dizer, algoritmos que ajudam a tornar os edifícios inteligentes mais eficientes em termos de energia.

"Os materiais de perovskita que usamos têm um potencial incrível como coletores de luz internos eficazes. Nosso próximo passo é integrar essas mesmas tecnologias usando métodos eletrônicos impressos, potencialmente permitindo a fabricação de sensores sem fio de custo extremamente baixo, "Diz Mathews.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.