Raumlicht reicht aus Energy Harvesting für RFID-Tags

Die PV-Zellen auf Basis von Perowskit liefern genügend Energie, um RFID-Tags über Jahre zu versorgen, auch in geschlossenen Räumen.
Die PV-Zellen auf Basis von Perowskit liefern genügend Energie, um RFID-Tags über Jahre zu versorgen, auch in geschlossenen Räumen.

Forscher vom MIT haben Sensoren mit Photovoltaik ausgestattet. Auf RFID-Tags stellen sie genügend Energie bereit, um in IoT-Geräten jahrelang Daten übertragen zu können.

Die Photozellen bestehen aus Perowskit, das flexibel ist und sich relativ einfach verarbeiten lässt. Die PV-Zellen können nicht nur außerhalb von Gebäuden sondern auch in weniger gut beleuchteten Zimmern das vorhandene Licht in Strom umwandeln, der ausreicht, um die RFID-Tags zu versorgen.

»Künftig werden uns Milliarden von Sensoren umgeben. Sie mit Batterien auszustatten, die regelmäßig ausgetauscht werden müssen, ist unrealistisch. Die Perowskit-Materialien, die wir benutzen, können Licht in geschlossenen Räumen sehr effizient in Strom wandeln, genug um die Sensoren über Jahre arbeiten zu lassen«, sagt Sai Nithin Kantareddy, Doktorandin am Auto-ID Laboratory des MIT.

In Artikeln, die in »Advanced Functional Materials« und »IEEE Sensors« erschienen sind, beschreiben die Forscher vom Auto-ID Laboratory und Photovoltaics Research Laboratory des MIT, wie Sensoren über mehrere Tage hinweg die Temperatur außerhalb und innerhalb von Gebäuden kontinuierlich messen und die Daten übertragen. Dabei können sie fünfmal größere Distanzen überbrücken als herkömmliche RFID-Tags – ohne Batterien. Die Sensoren und die PV-Zellen können über Jahre arbeiten, bevor sie ersetzt werden müssen. Sie würden sich also auch dazu eigenen, Güter in Lieferketten zu überwachen, in der Landwirtschaft den Zustand des Bodens kontinuierlich zu prüfen und den Energieverbrauch von Geräten innerhalb und außerhalb von Gebäuden zu beobachten.

Traditionelle PV-Zellen können zwar auch genügend Energie aus dem umgebenden Licht gewinnen – allerdings nur unter günstigen Bedingungen. Sie sind relativ teuer, funktionieren nur gut unter direkter Sonneneinstrahlung, sind nicht transparent und unflexibel. Die Zellen aus Perowskit werden dagegen in einem Roll-zu-Rolle-Prozess kostengünstig gefertigt, sind sehr dünn, flexibel und transparent. Zudem können sie auch Licht aus Leuchten effektiv in Strom wandeln.

In herkömmlichen RFID-Systemen gewinnen die Tags die Energie aus den elektromagnetischen Strahlen, die die Reader aussenden. So können sie die Daten speichern und erhalten genügend Energie, um sie zu übertragen. Allerdings reicht das nur für Distanzen von unter einem Meter. Die Forscher des MIT haben jetzt die Tags mit den PV-Zellen ausgestattet, so dass sie unabhängig vom Reader Energie gewinnen können.

Ausschlaggebend sind die neuen Perowskit-Zellen, die derzeit auf einen Wirkungsgrad von 10 Prozent kommen – was für die noch in der Entwicklung befindlichen Perowskit-Zellen ein guter Wert sei. Unter Sonneneinstrahlung liefern sie 4,3 V. Das reicht aus, um den IC zu versorgen und Daten über ein Distanz von 5 Metern für einige Sekunden zu übertragen, wie ein Artikel in »Advanced Functional Materials« beschreibt. In einem weiteren Artikel in »IEEE Sensors« beschreiben die Forscher eine Wide-Bandgap-Perowkit-Zelle, die innerhalb von räumen einen Wirkungsgrad von 18,5 bis 21,4 Prozent erreicht. Beide Zelltypen können innerhalb und außerhalb von Gebäuden arbeiten. Lichteinstrahlung von 45 Minuten reicht aus, um die Sensoren drei Stunden arbeiten zu lassen.

Den RFID-Tag haben die Wissenschaftler zunächst nur dafür ausgelegt, Temperaturen zu messen. Im nächsten Schritt sollen Sensoren dazu kommen, die Feuchte, Druck, Vibrationen messen und chemische Stoffe erkennen können.