Capteurs photovoltaïques pour « l’internet des objets ».

D’ici 2025, les experts estiment que le nombre de dispositifs « internet des objets » – y compris les capteurs qui recueillent des données en temps réel sur les infrastructures et l’environnement – pourrait atteindre 75 milliards dans le monde. Dans l’état actuel des choses, ces capteurs nécessitent toutefois des piles qui doivent être remplacées fréquemment, ce qui peut s’avérer problématique pour la surveillance à long terme.

Les chercheurs du MIT ont conçu des capteurs photovoltaïques qui pourraient transmettre des données pendant des années avant d’avoir besoin d’être remplacés. Pour ce faire, ils ont monté des cellules de pérovskite à couche mince – connues pour leur faible coût potentiel, leur flexibilité et leur relative facilité de fabrication – comme capteurs d’énergie sur des étiquettes d’identification par radio-fréquence (RFID) peu coûteuses.

Les cellules pouvaient alimenter les capteurs à la fois en plein soleil et dans des conditions intérieures plus sombres. De plus, l’équipe a découvert que l’énergie solaire donne en fait aux capteurs une augmentation de puissance majeure qui leur permet d’augmenter les distances de transmission des données et d’intégrer plusieurs capteurs sur une seule étiquette RFID.

« A l’avenir, il pourrait y avoir des milliards de capteurs tout autour de nous. Avec cette balance, vous aurez besoin de beaucoup de batteries que vous devrez recharger constamment. Et si vous pouviez les auto-alimenter en utilisant la lumière ambiante ? Vous pourriez les déployer et les oublier pendant des mois ou des années à la fois « , explique Sai Nithin Kantareddy, étudiant au doctorat au laboratoire MIT Auto-ID. « Ce travail consiste essentiellement à construire des étiquettes RFID améliorées utilisant des moissonneuses-batteuses d’énergie pour une gamme d’applications. »

Dans une paire d’articles publiés dans les journaux Matériaux fonctionnels avancés et Capteurs IEEE, Les chercheurs du MIT Auto-ID Laboratory et du MIT Photovoltaics Research Laboratory décrivent l’utilisation des capteurs pour surveiller en continu les températures intérieures et extérieures pendant plusieurs jours. Les capteurs transmettaient les données en continu à des distances cinq fois plus grandes que les étiquettes RFID traditionnelles, sans piles. Des distances de transmission de données plus longues signifient, entre autres, qu’un seul lecteur peut être utilisé pour collecter des données de plusieurs capteurs simultanément.

Selon certains facteurs de leur environnement, comme l’humidité et la chaleur, les capteurs peuvent être laissés à l’intérieur ou à l’extérieur pendant des mois ou, potentiellement, des années avant de se dégrader suffisamment pour nécessiter leur remplacement. Cela peut s’avérer utile pour toute application nécessitant une détection à long terme, à l’intérieur comme à l’extérieur, y compris le suivi des cargaisons dans les chaînes d’approvisionnement, la surveillance du sol et la surveillance de l’énergie utilisée par l’équipement des bâtiments et des maisons.

Rejoindre Kantareddy sur les papiers, c’est : Ian Mathews, chercheur Shijing Sun, étudiant en génie chimique Mariya Layurova, chercheur Janak Thapa, chercheur Ian Marius Peters, et le professeur Juan-Pablo Correa-Baena, tous membres du laboratoire de recherche photovoltaïque, Rahul Bhattacharyya, chercheur au laboratoire AutoID, Tonio Buonassisi, professeur en mécanique et Sanjay E. Sarma, le Fred Fort Flowers et le Daniel Fort Flowers Professeur de génie mécanique.

Combiner deux technologies peu coûteuses

Lors de récentes tentatives de création de capteurs auto-alimentés, d’autres chercheurs ont utilisé des cellules solaires comme sources d’énergie pour les appareils Internet des objets (IoT). Mais ce sont essentiellement des versions réduites des cellules solaires traditionnelles – pas de la pérovskite. Les cellules traditionnelles peuvent être efficaces, durables et puissantes dans certaines conditions  » mais sont vraiment infaisables pour les capteurs d’IdO omniprésents « , explique M. Kantareddy.

Les cellules solaires traditionnelles, par exemple, sont encombrantes et coûteuses à fabriquer, en plus d’être inflexibles et non transparentes, ce qui peut être utile pour les capteurs de surveillance de la température placés sur les vitres et les pare-brise des voitures. De plus, ils sont conçus uniquement pour capter efficacement l’énergie provenant de la lumière du soleil, et non pas d’un faible éclairage intérieur.

Les cellules de perovskite, d’autre part, peuvent être imprimées à l’aide de techniques de fabrication facile de rouleau à rouleau pour quelques centimes chacune, rendues minces, flexibles et transparentes, et réglées pour capter l’énergie de tout type d’éclairage intérieur et extérieur.

L’idée était donc de combiner une source d’énergie peu coûteuse avec des étiquettes RFID peu coûteuses, qui sont des autocollants sans piles utilisés pour surveiller des milliards de produits dans le monde. Les autocollants sont équipés de minuscules antennes ultra-haute fréquence dont la fabrication coûte entre trois et cinq cents chacune.

Les étiquettes RFID reposent sur une technique de communication appelée « rétrodiffusion », qui transmet les données en réfléchissant les signaux sans fil modulés sur l’étiquette et les renvoie à un lecteur. Un dispositif sans fil appelé lecteur – fondamentalement similaire à un routeur Wi-Fi – pige l’étiquette, qui alimente et rétrodiffuse un signal unique contenant des informations sur le produit auquel il est collé.

Traditionnellement, les étiquettes récoltent un peu de l’énergie radiofréquence envoyée par le lecteur pour alimenter une petite puce à l’intérieur qui stocke les données, et utilise l’énergie restante pour moduler le signal de retour. Mais cela ne représente que quelques microwatts de puissance, ce qui limite leur portée de communication à moins d’un mètre.

Le capteur des chercheurs consiste en une étiquette RFID construite sur un substrat en plastique. Directement connecté à un circuit intégré sur l’étiquette est un réseau de cellules solaires perovskite. Comme avec les systèmes traditionnels, un lecteur balaie la pièce et chaque étiquette répond. Mais au lieu d’utiliser l’énergie du lecteur, il puise l’énergie récoltée dans la cellule de perovskite pour alimenter son circuit et envoyer des données en rétrodiffusant des signaux RF.

Efficacité à l’échelle

Les innovations clés se trouvent dans les cellules personnalisées. Ils sont fabriqués en couches, avec de la pérovskite en sandwich entre une électrode, une cathode et des matériaux spéciaux pour le transport d’électrons. Cela a permis d’atteindre une efficacité d’environ 10 %, ce qui est assez élevé pour les cellules de pérovskite encore expérimentales. Cette structure en couches a également permis aux chercheurs d’accorder chaque cellule en fonction de son « intervalle de bande passante » optimal, qui est une propriété de déplacement d’électrons qui détermine la performance d’une cellule dans différentes conditions d’éclairage. Ils ont ensuite combiné les cellules en modules de quatre cellules.

Dans l’affaire Matériaux fonctionnels avancés les modules produisaient 4,3 volts d’électricité sous un seul éclairage solaire, ce qui est une mesure standard de la quantité de tension que les cellules solaires produisent sous la lumière du soleil. C’est suffisant pour alimenter un circuit – environ 1,5 volts – et envoyer des données environ 5 mètres toutes les quelques secondes. Les modules ont eu des performances similaires dans l’éclairage intérieur. Le Capteurs IEEE a principalement mis en évidence des cellules de perovskite à large bande interdite pour des applications intérieures qui ont atteint entre 18,5 pour cent et 21 pour cent. 4 % d’efficacité sous un éclairage fluorescent intérieur, selon la tension qu’il produit. Essentiellement, environ 45 minutes de n’importe quelle source de lumière alimenteront les capteurs à l’intérieur et à l’extérieur pendant environ trois heures.

Les chercheurs ont trouvé une nouvelle façon de corriger les principaux inconvénients des capteurs RFID, qui semblent prometteurs pour réduire les besoins en énergie des appareils et capteurs sans fil, explique Francesco Amato, chercheur à l’Institut des technologies de l’information et de la perception de l’École des hautes études de Sant’Anna en Italie. « Bien que des solutions similaires aient été proposées dans le passé, l’utilisation de cellules photovoltaïques en pérovskite pour alimenter le circuit intégré RFID est intéressante en raison de son encombrement réduit, de ses faibles coûts de production et du potentiel de la fabrication de rouleaux à rouleaux sur des substrats flexibles des cellules,  » dit-il. « Néanmoins, pour exploiter cette idée et renforcer l’impact de l’IdO, il reste encore du travail à faire (par les fabricants) pour développer la RFID (circuits) avec des caractéristiques de détection. … (Aussi), comme l’ont mentionné les auteurs, pour devenir complètement écologiques, les cellules de pérovskite doivent devenir sans plomb. »

Le circuit RFID a été prototypé pour ne surveiller que la température. Ensuite, les chercheurs s’efforcent d’étendre et d’ajouter au mélange davantage de capteurs de surveillance de l’environnement, tels que l’humidité, la pression, les vibrations et la pollution. Déployés à l’échelle, les capteurs pourraient notamment faciliter la collecte de données à long terme à l’intérieur pour aider à construire, par exemple, des algorithmes qui aident à rendre les bâtiments intelligents plus éconergétiques.

« Les matériaux de pérovskite que nous utilisons ont un potentiel incroyable en tant qu’abatteuses efficaces pour l’éclairage intérieur. Notre prochaine étape consiste à intégrer ces mêmes technologies à l’aide de méthodes électroniques imprimées, ce qui pourrait permettre la fabrication de capteurs sans fil à très faible coût « , explique M. Mathews.