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- 首批用于溫度傳感器供能的石墨烯太陽能電池
- 來源：阿肯色大學(xué) 發(fā)表于 2025/11/18
將傳感器功率需求降低到納瓦，即十億分之一瓦，而當前標準以微瓦（百萬分之一瓦）為單位。
利用從當?shù)丨h(huán)境中收集的能量為傳感器供能。
阿肯色大學(xué)和密歇根大學(xué)的研究人員報告了首次使用石墨烯基太陽能電池的超低功耗溫度傳感器。該測試是開發(fā)自主傳感器系統(tǒng)的第一道難關(guān)，該系統(tǒng)從環(huán)境中的多個來源——太陽能、熱輻射、聲學(xué)、動能、非線性和環(huán)境輻射——汲取電力。
該研究發(fā)表在《真空科學(xué)與技術(shù)雜志B》上。
最終目標是開發(fā)利用石墨烯能量采集能力的多模態(tài)傳感器（結(jié)合上述多種能源），這些傳感器可持續(xù)數(shù)十年，有助于實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，智能技術(shù)融入日常生活。
Ashaduzzaman是物理學(xué)博士候選人，是亞伯蘭大學(xué)主導(dǎo)論文的第一作者，但石墨烯能量收集器是物理學(xué)教授Paul Thibado的創(chuàng)意，他十多年前開始研究石墨烯的獨特性質(zhì)，并擔任通訊作者。
成功取決于克服兩個挑戰(zhàn)：
值得注意的是，該系統(tǒng)及預(yù)計未來系統(tǒng)不包括電池，電池壽命有限，使石墨烯基礎(chǔ)的能量收集器能夠?qū)崿F(xiàn)較長的運行壽命——甚至數(shù)十年。
“電力必須來自本地環(huán)境，”蒂巴多解釋道，“所以它是自給自足且自主的，并且必須擁有極長的使用壽命，才能顯著降低總擁有成本。所以設(shè)定好，然后忘了它�！�
亞伯蘭大學(xué)團隊主要負責(zé)完成上述第二個挑戰(zhàn)，而密歇根大學(xué)團隊由電氣工程與計算機科學(xué)教授David Blaauw領(lǐng)導(dǎo)，主要負責(zé)第一個挑戰(zhàn)。Blaauw是低功耗無線傳感器和嵌入式系統(tǒng)的專家。他甚至設(shè)計了可以植入蝴蝶翅膀上的微型傳感器。
論文確認，利用石墨烯基太陽能制造超低功耗溫度傳感器是可能的。
“我們想如果能拆掉電源管理單元，也許這個傳感器系統(tǒng)能消耗更少的電力，”阿沙杜扎曼解釋道�！八晕覀兙瓦@么做了。然后我們連接了三組太陽能電池，直接用三個儲能電容器為溫度系統(tǒng)供電。”
Thibado補充道：“我們預(yù)計將制造能夠在設(shè)備內(nèi)收集多種能源的設(shè)備�！�
通過實現(xiàn)“多模態(tài)”，可以通過額外的熱或非線性電力來彌補間歇性太陽能短缺，無論具體情況如何。
Thibado預(yù)見到傳感器將用于那些傳感器本應(yīng)有用的領(lǐng)域和領(lǐng)域，但更換電池的需求將使得它們勞動力和成本過高。這可能包括農(nóng)業(yè)氣候監(jiān)測、畜牧追蹤、可穿戴健身監(jiān)測、建筑報警系統(tǒng)、預(yù)測性維護以及其他廣泛的應(yīng)用。
論文摘要用通俗易懂的語言描述了這項工作，指出研究人員“制造了數(shù)十個石墨烯基太陽能電池，將其線粘成標準封裝，并在照明下對每個電池的電流-電壓特性進行了表征。接著，太陽能電池串聯(lián)以提升輸出電壓。三組不同的太陽能電池用于為三個儲能電容器充電，達到溫度傳感器所需的電壓水平。
“存儲電容器只需幾分鐘即可充電，但傳感器系統(tǒng)可連續(xù)供電超過24小時且不需充電。使用儲能電容還消除了對典型電源管理芯片和常用可充電電池的需求。因此，可以降低傳感器系統(tǒng)的整體功耗，顯著延長其使用壽命，“摘要中寫道。
來自阿爾伯塔大學(xué)的合著者還包括博士生Syed M. Rahman、Md R. Kabir和James M. Magnum。密歇根大學(xué)的合著者還包括洪道和戈登·卡里奇納，以及布勞。
Ashaduzzaman表示，他已經(jīng)研究溫度傳感器大約一年半了。他說，下一步是完善一種動能收集器，能夠從石墨烯獨特的振動特性中收集能量。該能力隨后將與太陽能傳感器結(jié)合，形成多模態(tài)傳感器。至少，這是計劃。
更多信息：Ashaduzzaman 等人，《微石墨烯-硅太陽能電池陣列間歇性充電以驅(qū)動溫度傳感器的儲能電容器》，《真空科學(xué)與技術(shù)雜志》B（2025）。DOI：10.1116/6.0004618
由阿肯色大學(xué)提供
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