MIT开发出新型低成本光伏传感器

毫无疑问，物联网（IoT）的重要性随着 5G 的发展愈发凸显。它利用信息传感设备和网络，把所有人们生活生产中的东西连接起来，进行信息交互，从而实现智能识别和管理。专家预测，到 2025 年，全球物联网设备的数量（包括收集有关基础设施和环境实时数据的传感器）可能会增加到 750 亿。然而，就目前的情况来看，这些传感器需要频繁地更换电池，这对长期监测来说可能是个不小的问题。

MIT 的研究人员在普通的射频识别（RFID）标签上安装了薄膜钙钛矿电池来作为“能量收集器”。 这种电池以其潜在的低成本、灵活性和易制造而闻名，可以在明亮的阳光和较暗的室内条件下为传感器供电。 此外，研究人员还发现，太阳能实际上给传感器提供了强大的动力，可以使数据传输的距离更远，并能够将多个传感器集成到一个 RFID 标签上。

针对这项发现，麻省理工学院的光伏实验室（Photovoltaic Laboratory）和自动识别实验室（Auto-ID Lab）的两篇论文，分别发表在了 IEEE Sensors 和 Advanced Functional Materials 杂志上。来自麻省理工学院两所实验室的多名教授、博士后、研究员，还有学生参与了该研究。

相关概念图（来源：麻省理工学院）

集成两种低成本技术

随着社会对环境保护等问题的愈发重视，人们对清洁能源也随之提出了更高的要求。在最近的许多尝试创建自供电传感器的研究中，已经有一些研究人员将太阳能电池用作物联网设备的能源。但是，这些研究基本上都是把传统的太阳能电池做成一个缩小的版本，而并非使用钙钛矿。

其中一篇论文的主要作者，麻省理工学院自动识别实验室的博士生 Sai Nithin R. Kantareddy 对此表示： “传统的单元组件在某些条件下可以得到更高效、持久且功能强大的表现，但是对于无处不在的物联网传感器来说，传统的办法其实是不可行的。”

例如，传统的太阳能电池体积都很庞大，并且制造费用相对昂贵，即便缩小其尺寸也需要耗费相当高的成本。而且，它们并不灵活，也不能被制成透明的，而透明属性对于放置在窗户和汽车挡风玻璃等环境上的温度监测传感器是十分必要的。实际上，现阶段的传统太阳能电池还只能在较强的太阳光下，而不是室内低亮度的条件下有效地收集能量。

反观钙钛矿电池，它可以使用简单的“卷对卷”制造技术进行印刷，每套的成本只需要几美分（不足一元人民币）。同时，用钙钛矿做的电池可以变得更薄、更加柔软，并且能做成透明的。它还可以根据接收的光线做出调整，能从任何类型的室内或者室外的照明环境中收集能量。

当时研究团队的想法就是，将低成本的电池与同样低成本的 RFID 标签相结合，后者是一种无电池的贴纸，可用来监控全球数十亿种产品。这些贴纸中配有微型的超高频天线，每一个制作成本大概也只有 3~5 美分（均不足一元）。

电磁反向散射耦合型的RFID读写器（来源：Wiki）

RFID 标签要依靠一种叫做“反向散射”（backscatter）的通信技术，该技术通过将调制过的无线信号从标签上反射回读取器来传输数据。一种称为“读取器”（reader）的无线设备（基本上类似于 Wi-Fi 路由器）会对标签发出 ping 信号，设备便会启动并反向散射出一个独特的信号，该信号包含了所粘贴产品的信息。

传统上，标签会收集读取器发送的少量射频能量，来为存储数据的内部芯片供电，并使用剩余的能量来调制返回的信号。但这仅仅相当于几微瓦的功率，进而将它们的通信范围限制在了一米之内。

而 MIT 研究人员的传感器由一个塑料基板上的 RFID 标签组成，钙钛矿太阳能电池阵列则直接连接到标签上的集成电路中。 与传统系统一样，读取器会扫视整个房间，每个标签都会做出响应。但是，它并没有使用读取器的能量，而是从钙钛矿电池中获取了能量，以使电路通电并通过反向散射 RF 信号来发送数据。

用环境光供电，可工作长达几年

对于这项发明，MIT 的研究人员表示创新的关键在于定制单元。它们是分层制造的，钙钛矿材料夹在电极、阴极和特殊的电子传输层材料之间。这样可以达到约 10％ 的效率，该数值对于仍处于实验室状态的钙钛矿电池来说是相当高的。

同时，这种分层结构还可以让研究人员能够调整每个电池的最佳“带隙”，这是一种电子运动特性，决定了在不同光照条件下电池的性能。然后，研究人员将这些独立的个体合并为拥有四个单元的模块。

发表在 Advanced Functional Materials 的论文中，这些模块在单次阳光照射下能产生 4.3 V（伏特）的电量，这是衡量太阳能电池在阳光下产生多少电压的标准。这足以给电路供电——大约 1.5 V，每隔几秒钟就能发送约 5 米远的数据。同时，这些模块在室内的照明条件下也具有类似的性能。

在 IEEE Sensors 上的论文，主要展示了用于室内应用的宽带隙钙钛矿电池。根据产生的电压大小的不同，其在室内荧光灯下的效率可达到 18.5% 至 21.4% 之间。基本上，任何光源照射 45 分钟，都可以为室内或室外的传感器提供大约 3 个小时的电力。

这些传感器可以在室内或室外放置数月或数年，直到它们降解并需要更换为止。 具体使用时间取决于环境中的某些因素（如湿度和温度等）。

对于需要在室内和室外进行长期传感的所有应用而言，这个发明都是有价值的，包括跟踪供应链中的货物、监测土壤，以及监测建筑物和家庭中设备等。

生态环境监测网络建设图（来源：云南省生态环境厅）

“将来，我们周围可能会有数十亿个传感器。那么将需要大量的电池，而且这些电池还必须不断地充电。但是，如果可以使用环境光为它们自供电，那么就可以很方便地去安置它们，即便你把它遗忘几个月或几年都没有问题。”Kantareddy 说，“这项工作基本上是使用能量收集器为各种应用构建增强的 RFID 标签。”

RFID 电路的原型只是用来监测温度的。接下来，研究人员的目标是扩大规模，并增加针对更多层面的环境监测传感器，例如湿度、压力、振动和污染等。这些传感器一旦被大规模部署，对于在室内进行长期数据收集的工作具有巨大的帮助，还能进一步助力构建算法，提高智能建筑的能源效率等。

“我们使用的钙钛矿材料具有不可思议的潜力，可以作为有效的室内光收集器。我们的下一步工作是要利用印刷电子工艺集成这些相同的技术，从而有可能进一步降低该无线传感器的制造成本。”MIT 的博士后、论文作者之一 Ian Mathews 说。