Photovoltaik-Sensoren für Internet der Dinge

RFID-basierte Geräte funktionieren bei Innen- und Außenlichtverhältnissen und kommunizieren über größere Entfernungen

Bis 2025 könnte nach Schätzungen von Experten die Zahl des “Internets der Dinge” – einschließlich Sensoren,  die Echtzeitdaten über Infrastruktur und Umwelt sammeln – auf 75 Milliarden weltweit steigen. Aktuell benötigen diese Sensoren jedoch noch Batterien, die häufig ausgetauscht werden müssen, was für die Langzeitüberwachung problematisch sein könnte.

Perowskit-Solarzelle im HZB – Foto ©  Solarify

Die Zellen könnten die Sensoren sowohl bei hellem Sonnenlicht als auch bei gedimmten Innenbedingungen betreiben. Darüber hinaus stellte das Team fest, dass die Solarenergie den Sensoren tatsächlich einen erheblichen Leistungsschub verleiht, der größere Datenübertragungsdistanzen und die Möglichkeit bietet, mehrere Sensoren auf einem einzigen RFID-Tag zu integrieren.

“In Zukunft könnten Milliarden von Sensoren um uns herum sein. Mit dieser Waage benötigen Sie viele Batterien, die Sie ständig aufladen müssen. Aber was wäre, wenn man sie mit Hilfe des Umgebungslichts mit Strom versorgen könnte? Man könnte sie für Monate oder Jahre einsetzen und vergessen”, sagt Sai Nithin Kantareddy, Doktorand im MIT Auto-ID Laboratory. “Diese Arbeit besteht im Wesentlichen darin, verbesserte RFID-Tags mit Hilfe von Energy Harvesters für eine Reihe von Anwendungen herzustellen.”

In zwei Artikeln in den Zeitschriften Advanced Functional Materials (“Self?Powered Sensors Enabled by Wide?Bandgap Perovskite Indoor Photovoltaic Cells”) und IEEE Sensors (“Long Range Battery-Less PV-Powered RFID Tag Sensors”) veröffentlichten Artikeln beschreiben Autoren vom MIT-Auto-ID Laboratory und MIT-Photovoltaics Research Laboratory den Einsatz der Sensoren zur kontinuierlichen Überwachung der Innen- und Außentemperaturen über mehrere Tage. Die Sensoren übertrugen die Daten kontinuierlich in fünfmal größeren Abständen als herkömmliche RFID-Tags – ohne Batterien. Längere Datenübertragungsbereiche bedeuten unter anderem, dass mit einem Leser Daten von mehreren Sensoren gleichzeitig erfasst werden können.

Abhängig von bestimmten Faktoren in ihrer Umgebung, wie Feuchtigkeit und Wärme, können die Sensoren monatelang oder sogar jahrelang drinnen oder draußen verbleiben, bevor sie sich so weit verschlechtern, dass sie ersetzt werden müssen. Das kann für jede Anwendung wertvoll sein, die eine Langzeitmessung im Innen- und Außenbereich erfordert, einschließlich der Verfolgung von Ladung in Lieferketten, der Überwachung des Bodens und der Überwachung des Energieverbrauchs von Geräten in Gebäuden und Wohnungen.

Kombination zweier kostengünstiger Technologien

In den jüngsten Versuchen, batterielose Sensoren zu entwickeln, haben Forscher anderer Institute Solarzellen als Energiequelle für das Internet der Dinge (internet of things – IoT) verwendet. Aber das seien im Grunde genommen verkleinerte Versionen von traditionellen Solarzellen – kein Perowskit. Die traditionellen Zellen könnten unter bestimmten Bedingungen effizient, langlebig und leistungsstark sein, “aber sie sind für allgegenwärtige IoT-Sensoren wirklich undenkbar”, sagt Kantareddy.

“Traditionelle Solarzellen zum Beispiel sind sperrig und teuer in der Herstellung, sie sind unflexibel und können nicht transparent gemacht werden, was für die Temperaturüberwachung von Sensoren an Fenstern und Autofrontscheiben nützlich sein kann. Sie sind auch wirklich nur darauf ausgelegt, Energie aus starkem Sonnenlicht effizient zu gewinnen, nicht aus schlechtem Innenlicht. Perowskitzelemente hingegen können mit einfachen Rolle-zu-Rolle-Fertigungstechniken für wenige Cent pro Stück bedruckt, dünn, flexibel und transparent gemacht und auf die Energiegewinnung aus jeder Art von Innen- und Außenbeleuchtung abgestimmt werden, erklärt der MIT-Forscher.

Die Idee sei also gewesen, eine kostengünstige Energiequelle mit kostengünstigen RFID-Tags zu kombinieren, batterielose Aufkleber, mit denen Milliarden von Produkten weltweit überwacht werden könnten. Die Aufkleber seien mit winzigen, ultrahochfrequenten Antennen ausgestattet, deren Herstellung jeweils etwa drei bis fünf Cent kostet.

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