En framtid med fler uppkopplade prylar, både hemma och på jobbet, ställer nya krav på att enheter ska kunna fungera utan sladdar eller batterier. Med en ny sorts färgämnessolceller kan prylarna drivas av ljuset från lysrör och LED-lampor inomhus.
Internet of Things, eller IoT, är ett växande nätverk av elektroniska enheter och sensorer som är uppkopplade till internet. Forskare uppskattar att runt 75 milliarder av IoT-sensorer kommer att reglera många aspekter av vårt liv vid år 2025, varav en stor del kommer att sättas upp inomhus. För att kunna installeras på ett hållbart sätt måste IoT-sensorerna bli autonoma, det vill säga de ska fungera helt utan batterier eller elsladdar. Därför måste en lokal energikälla hittas som kan försörja sensorerna med energi – även inomhus.
Skördar inomhusbelysning
Mot detta mål har ett forskarlag under ledning av Marina Freitag vid institutionen för kemi, Uppsala universitet, utvecklat nya solceller för inomhusbruk som kan omvandla upp till 34 procent av synligt ljus till elektricitet för att driva ett brett utbud av olika IoT-sensorer. Forskargruppen har designat färgämnessolceller baserade på en elektrolyt med koppar-komplex med mycket lovande resultat, vilket gör dem idealiska för att skörda inomhusbelysning från lysrör och lysdioder (LED:s). Färgämne-sensitiserade solceller, eller dye-sensitized solar cells, visar med de nya resultaten bättre verkningsgrader än vanliga kisel- och även GaAs-solceller vid låg ljusintensitet.
De senaste resultaten är ett stort steg mot hållbara sensorer som till exempel kan användas på kontor, i växthus, och inom lagring och transport.
– Genom att känna till spektrumet av ljuset som sensorerna kommer att placeras i, kan vi välja färgämnen som absorberar just dessa våglängder. Då omvandlar solcellerna en större mängd energi än om man har statiskt utvecklade solceller. Samtidigt håller solcellerna en hög spänning, vilket är mycket viktigt när de ska driva elektroniska enheter, säger Marina Freitag.
Anpassar energiförbrukning efter ljuset
Tillsammans med Tekniska universitetet i München har forskarna dessutom utvecklat ”anpassande energiförbrukning” för ljusdrivna sensorer. Det innebär att de ljusdrivna sensorerna anpassar sin energiförbrukning efter ljusintensiteten, i motsats till motsvarande sensorer som drivs av batteri. På så sätt minskas energiförluster under lagring samt avfall från batterier. Solcellerna bidrar därmed till en förbättrad och hållbar utveckling av IoT.
I framtiden förväntas miljarder autonoma IoT-enheter, drivna av inomhus-solceller, att hjälpa till med informationsutbyte mellan såväl människa och maskin som mellan maskin och maskin. De nya avancerade sensorerna kommer dessutom att installeras i nya robotar och större autonoma sensorsystem som utvecklas i dagsläget.
– Solceller utvecklade för optimala egenskaper i låg ljusintensitet inleder ett nytt kapitel för sensorelektroniken. Vi kan äntligen använda en energikälla som hittills nästan inte rörts. Kombinationen av hög verkningsgrad, låga kostnader och icke-hälsoskadliga material är nyckeln till hållbara IoT-nätverk, säger Marina Freitag.
Vetenskaplig artikel:
Dye-sensitized solar cells under Ambient Light Powering Machine Learning: Towards autonomous smart sensors for the Internet of Things. Hannes Michaels, Michael Rinderle, Richard Freitag, Iacopo Benesperi, Tomas Edvinsson, Richard Socher, Alessio Gagliardi, Marina Freitag (2020), Chemical Science. DOI: 10.1039/C9SC06145B
Kontakt:
Marina Freitag, institutionen för kemi, Uppsala universitet, marina.freitag@kemi.uu.se
Hannes Michaels, hannes.michaels@kemi.uu.se
