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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. Toutefois dans l’état actuel des choses, ces capteurs nécessitent l’utilisation de piles qui doivent être remplacées fréquemment, ce qui peut s’avérer problématique pour la surveillance à long terme.

Des capteurs RFID pour l’internet des objets

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 à pérovskite à couche mince – connues pour leur faible coût, leur flexibilité et leur relative facilité de fabrication – comme les capteurs d’énergie sur des étiquettes d’identification par radiofréquence (RFID) qui sont peu coûteuses.
Ces 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.
« À l’avenir, il pourrait y avoir des milliards de capteurs tout autour de nous. Avec cette quantité, nous aurons besoin de beaucoup de batteries que nous devrons recharger constamment. Et si nous pouvions les auto-alimenter en utilisant la lumière ambiante ? Nous pourrions les déployer et les oublier pendant des mois ou des années », explique Sai Nithin Kantareddy, étudiant au doctorat au laboratoire MIT. «Ce travail consiste essentiellement à construire des étiquettes RFID améliorées à l’aide de capteurs d’énergie pour une large gamme d’application. »

Pour une surveillance en continu

Dans deux articles publiés dans les revues Advanced Functional Materials et IEEE Sensors, des 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.
Ces capteurs transmettraient les données en continu à des distances cinq fois plus grandes que les étiquettes RFID traditionnelles, et ce 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, ces capteurs peuvent être laissés à l’intérieur ou à l’extérieur pendant des mois ou, même 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, comme 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.

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 et non pas des pérovskites. Les cellules traditionnelles peuvent être efficaces, durables et puissantes dans certaines conditions  » mais ils sont peu performantes pour les capteurs IoT omniprésents « , explique M. Kantareddy.
De plus, les cellules à pérovskite, peuvent être imprimées à l’aide de techniques de fabrication de rouleau à rouleau. 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. Ces autocollants sont équipés de minuscules antennes à 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 détecte l’étiquette, qui alimente et rétrodiffuse un signal contenant des informations sur le produit auquel il est collé.
Traditionnellement, les étiquettes récoltent un peu de l’énergie par 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 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 à pérovskite. 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 par la cellule à pérovskite pour alimenter son circuit et envoyer des données en rétrodiffusant des signaux RF.

Efficacité de ces étiquettes 

Les innovations clés de ces étiquettes se trouvent dans les cellules personnalisées. Ils sont fabriqués en couches, avec des cellules à 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 à 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 le document Advanced Functional Materials, les modules produisaient 4,3 volts d’électricité sous un éclairage solaire, ce qui est une mesure standard de la quantité de tension que les cellules solaires produisent sous la lumière solaire. C’est suffisant pour alimenter un circuit et envoyer des données à environ 5 mètres toutes les quelques secondes.
Le circuit RFID des chercheurs a été prototypé pour ne surveiller que la température. Mais , 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 grande échelle, ces capteurs pourraient notamment faciliter la collecte de données à long terme à l’intérieur pour aider à construire, par exemple, des algorithmes qui aideraient à rendre les bâtiments intelligents plus éconergétiques.

Réduire encore plus les coûts

« Les matériaux à pérovskite que nous utilisons ont un potentiel incroyable en tant qu’absorbeurs 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 un des chercheurs du MIT.
Source : MIT
Crédit photo : Pixabay

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