專家估計，到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（包括收集有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境的實時數(shù)據(jù)的傳感器）的數(shù)量可能會增加到750億。但是，這些傳感器需要經(jīng)常更換的電池，這對于長期監(jiān)控可能會造成問題。

麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計了由光伏供電的傳感器，這些傳感器可以在需要更換之前傳輸數(shù)年的數(shù)據(jù)。為此，他們將薄膜鈣鈦礦電池（以其潛在的低成本，靈活性和相對易制造性而聞名）作為能量收集器安裝在廉價的射頻識別（RFID）標(biāo)簽上。

電池可以在明亮的陽光下和昏暗的室內(nèi)條件下為傳感器供電。此外，研究小組發(fā)現(xiàn)太陽能實際上為傳感器提供了巨大的功率提升，從而實現(xiàn)了更大的數(shù)據(jù)傳輸距離，并能夠?qū)⒍鄠€傳感器集成到單個RFID標(biāo)簽上。

“將來，我們周圍可能會有數(shù)十億個傳感器。按照這種規(guī)模，將需要大量電池，這些電池必須不斷充電。但是，如果您可以使用環(huán)境光為它們自供電呢？” Sai Nithin Kantareddy博士說。 “這項工作基本上是使用能量收集器為各種應(yīng)用構(gòu)建增強(qiáng)的RFID標(biāo)簽。”

在《Advanced Functional Materials》和《IEEE Sensors》雜志上發(fā)表的兩篇論文中，麻省理工學(xué)院自動ID實驗室和麻省理工學(xué)院光伏研究實驗室的研究人員描述了使用傳感器連續(xù)幾天監(jiān)控室內(nèi)和室外溫度的方法。傳感器連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的距離是傳統(tǒng)RFID標(biāo)簽的五倍，而無需電池。更長的數(shù)據(jù)傳輸范圍尤其意味著可以使用一個讀取器同時從多個傳感器收集數(shù)據(jù)。

取決于環(huán)境中的某些因素（例如濕度和熱量），傳感器可以在內(nèi)部或外部放置數(shù)月或數(shù)年，直到它們降解到足以需要更換為止。對于需要在室內(nèi)和室外進(jìn)行長期傳感的任何應(yīng)用而言，這都是有價值的，包括跟蹤供應(yīng)鏈中的貨物，監(jiān)測土壤以及監(jiān)測建筑物和家庭中設(shè)備使用的能源。

在最近嘗試創(chuàng)建自供電傳感器的嘗試中，其他研究人員已將太陽能電池用作物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備的能源。但是這些基本上是傳統(tǒng)太陽能電池的縮小版本，而不是鈣鈦礦。Kantareddy說，傳統(tǒng)的單元在某些條件下可以高效，持久且功能強(qiáng)大，“但對于無處不在的IoT傳感器來說確是行不通的?！?/p>

例如，傳統(tǒng)的太陽能電池體積龐大且制造昂貴，而且它們不靈活且不能制成透明的，這對于放置在窗戶和汽車擋風(fēng)玻璃上的溫度監(jiān)測傳感器很有用。實際上，它們還只是設(shè)計為從強(qiáng)大的陽光而不是室內(nèi)低照度有效地收集能量。

另一方面，鈣鈦礦電池可以使用簡單的卷對卷制造技術(shù)進(jìn)行印刷，每套只需幾美分。薄、柔軟而且透明；并調(diào)整為從任何類型的室內(nèi)和室外照明中收集能量。

當(dāng)時的想法是將低成本電源與低成本RFID標(biāo)簽相結(jié)合，后者是無電池標(biāo)簽，用于監(jiān)控全球數(shù)十億種產(chǎn)品。貼紙上裝有微小的超高頻天線，每個天線的成本約為3至5美分。

RFID標(biāo)簽依賴于一種稱為“反向散射”的通信技術(shù)，該技術(shù)通過將調(diào)制的無線信號反射離開標(biāo)簽并傳回閱讀器來傳輸數(shù)據(jù)。一種稱為閱讀器的無線設(shè)備，與Wi-Fi路由器基本類似，對標(biāo)簽執(zhí)行ping操作，標(biāo)簽會加電并向后散射一個唯一信號，該信號包含有關(guān)所粘貼產(chǎn)品的信息。

傳統(tǒng)上，標(biāo)簽會收集閱讀器發(fā)送的少量射頻能量，以為存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)部小芯片加電，并使用剩余的能量來調(diào)制返回信號。但這僅相當(dāng)于幾微瓦的功率，這限制了它們的通信范圍不到一米。

研究人員的傳感器包括一個構(gòu)建在塑料基板上的RFID標(biāo)簽。鈣鈦礦太陽能電池陣列直接連接到標(biāo)簽上的集成電路。與傳統(tǒng)系統(tǒng)一樣，閱讀器會掃蕩整個房間，每個標(biāo)簽都會響應(yīng)。但是，它沒有使用閱讀器的能量，而是從鈣鈦礦電池中獲取了能量，以使電路通電并通過反向散射RF信號發(fā)送數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵創(chuàng)新在于定制單元。它們是分層制造的，鈣鈦礦材料夾在電極，陰極和特殊的電子傳輸層材料之間。這樣可以達(dá)到約10％的效率，這對于仍處于實驗狀態(tài)的鈣鈦礦電池來說是相當(dāng)高的。這種分層結(jié)構(gòu)還使研究人員能夠調(diào)整每個電池的最佳“帶隙”，該帶隙是一種電子移動特性，決定了在不同光照條件下電池的性能。然后，他們將單元合并為四個單元的模塊。

在“Advanced Functional Materials”論文中，這些模塊在一次陽光照射下產(chǎn)生了4.3伏的電，這是衡量太陽能電池在陽光下產(chǎn)生多少電壓的標(biāo)準(zhǔn)度量。這足以為電路供電（約1.5伏），并每隔幾秒鐘發(fā)送一次約5米的數(shù)據(jù)。這些模塊在室內(nèi)照明中具有類似的性能。IEEE Sensors論文主要展示了用于室內(nèi)應(yīng)用的寬帶隙鈣鈦礦電池，在室內(nèi)熒光燈照明下，其效率在18.5％至21％之間。這取決于它們產(chǎn)生多少電壓?；旧?，任何光源的約45分鐘將為室內(nèi)和室外的傳感器供電約3個小時。

RFID電路的原型僅用于監(jiān)控溫度。接下來，研究人員旨在擴(kuò)大規(guī)模，并在混合環(huán)境中添加更多的環(huán)境監(jiān)測傳感器，例如濕度，壓力，振動和污染。這些傳感器被大規(guī)模部署，尤其可以幫助室內(nèi)進(jìn)行長期數(shù)據(jù)收集，以幫助構(gòu)建算法，例如，幫助提高智能建筑的能源效率。

“我們所使用的鈣鈦礦材料作為有效的室內(nèi)光收集器具有令人難以置信的潛力。我們的下一步就是使用印刷電子方法整合這些相同的技術(shù)，從而有可能實現(xiàn)無線傳感器的極低成本制造，”研究人員說。