Eerste op grafeen gebaseerde zonnecellen die worden gebruikt om temperatuursensoren van stroom te voorzien

Onderzoekers van de Universiteit van Arkansas en de Universiteit van Michigan hebben het eerste gebruik gerapporteerd van temperatuursensoren met ultralaag vermogen met behulp van op grafeen gebaseerde zonnecellen. De test is de eerste hindernis bij de ontwikkeling van autonome sensorsystemen die stroom halen uit meerdere bronnen in de omgeving: zonne-, thermische, akoestische, kinetische, niet-lineaire en omgevingsstraling.

Het werk is gepubliceerd in het journaal Tijdschrift voor vacuümwetenschap en technologie B.

Het einddoel is de ontwikkeling van multimodale sensoren (die meer dan één van de bovengenoemde energiebronnen bevatten) met behulp van het energieoogstvermogen van grafeen, dat tientallen jaren meegaat en helpt bij het realiseren van het Internet of Things, waarin slimme technologie is verweven in het weefsel van het dagelijks leven.

Ashaduzzaman, een Ph.D. kandidaat in de natuurkunde, is de eerste auteur van het door U of A geleide artikel, maar grafeen-energieoogsters zijn het geesteskind van natuurkundeprofessor Paul Thibado, die meer dan tien jaar geleden begon met het bestuderen van de unieke eigenschappen van grafeen en de corresponderende auteur is.

Succes hing af van het overwinnen van twee uitdagingen:

1. Het verminderen van de vraag naar sensorvermogen tot nanowatt, een miljardste watt, in tegenstelling tot de huidige norm, die wordt gemeten in microwatt (een miljoenste watt) en
2. het voeden van de sensor met behulp van energie die uit de lokale omgeving wordt geoogst.

Opvallend is dat dit systeem, en de systemen die naar verwachting zullen volgen, geen batterijen bevatten, die een beperkte levensduur hebben, waardoor op grafeen gebaseerde energieoogsters een lange operationele levensduur kunnen bereiken – mogelijk tientallen jaren.

“De stroom moet uit de lokale omgeving worden gehaald”, legt Thibado uit, “dus het is zelfvoorzienend en autonoom, en het moet een extreem lange operationele levensduur hebben om de totale eigendomskosten dramatisch te verlagen. Dus stel het in en vergeet het.”

Het U of A-team was grotendeels verantwoordelijk voor het voltooien van de tweede uitdaging hierboven, terwijl het team van de Universiteit van Michigan, geleid door David Blaauw, een professor in elektrotechniek en computerwetenschappen, grotendeels verantwoordelijk was voor de eerste. Blaauw is expert op het gebied van draadloze sensoren en embedded systemen met laag vermogen. Hij heeft zelfs kleine sensoren ontworpen die in de vleugels van een vlinder kunnen worden geplant.

Het artikel bevestigt dat het mogelijk is om een ​​temperatuursensor met ultralaag vermogen te maken met behulp van op grafeen gebaseerde zonne-energie.

“We dachten dat als we de energiebeheereenheid konden verwijderen, dit sensorsysteem misschien een nog kleinere hoeveelheid stroom zou verbruiken”, legt Ashaduzzaman uit. “Dus dat hebben we gedaan. Vervolgens hebben we drie sets zonnecellen aangesloten om de temperatuursystemen rechtstreeks van stroom te voorzien met drie opslagcondensatoren.”

Thibado voegde eraan toe: “We verwachten apparaten te bouwen die binnen dat apparaat meerdere energiebronnen oogsten.”

Door ze ‘multimodaal’ te maken, kunnen periodieke tekorten aan zonne-energie worden aangevuld met extra thermische of niet-lineaire energie, wat het geval ook is.

Thibado verwacht dat de sensoren zullen worden gebruikt in gebieden en velden waar sensoren nuttig zouden kunnen zijn, maar de noodzaak om batterijen te vervangen zou ze arbeidsintensief en duur maken. Dit kan het gebruik omvatten van zaken als monitoring van het landbouwklimaat, het volgen van vee, draagbare fitnessmonitoring, het bouwen van alarmsystemen, voorspellend onderhoud en een breed scala aan andere toepassingen.

De samenvatting van het artikel beschrijft het werk in duidelijke taal en stelt dat de onderzoekers “tientallen op grafeen gebaseerde zonnecellen bouwden, deze met draad bonden in standaardpakketten en de stroom-spanningskarakteristieken van elk onder verlichting karakteriseerden. Vervolgens werden zonnecellen in serie geschakeld om de uitgangsspanning te verhogen. Er werden drie verschillende sets zonnecellen gebruikt om drie opslagcondensatoren op te laden tot de spanningsniveaus die vereist zijn voor [the] temperatuur sensor.

“De opslagcondensatoren hebben slechts een paar minuten nodig om op te laden, maar voeden het sensorsysteem meer dan 24 uur zonder op te laden. Het gebruik van opslagcondensatoren elimineert ook de noodzaak van een typische energiebeheerchip en de veelgebruikte oplaadbare batterij. Als resultaat kan men het totale stroomverbruik van het sensorsysteem verlagen en de levensduur ervan aanzienlijk verlengen”, zegt de samenvatting.

Tot de co-auteurs van de U of A behoorden ook Syed M. Rahman, Md R. Kabir en James M. Magnum, allemaal promovendi. Co-auteurs van de Universiteit van Michigan waren naast Blaauw onder meer Hung Do en Gordon Carichner.

Ashaduzzaman zei dat hij ongeveer anderhalf jaar aan de temperatuursensor heeft gewerkt. Hij zei dat de volgende stap het perfectioneren van een kinetische energie-oogster is die energie haalt uit de unieke trillingseigenschappen van grafeen. Deze mogelijkheid wordt vervolgens gecombineerd met de zonnesensor, waardoor een multimodale sensor ontstaat. Althans, dat is het plan.