石墨烯太阳能电池驱动首代超低功耗温度传感器
阿肯色大学与密歇根大学的研究人员近期取得一项突破，首次成功利用石墨烯基太阳能电池为超低功耗温度传感器供能。这项研究被视为向自主传感器系统迈进的关键一步，该系统能够从太阳能、热辐射、声波、动能、非线性辐射等多元环境中采集能量。
相关成果已发表于《真空科学与技术杂志B》。
研究团队的目标是开发基于石墨烯能量收集技术的多模态传感器系统，这些传感器可连续运行数十年，从而推动物联网及智能技术在日常应用中的全面渗透。
该研究的第一作者是阿肯色大学的物理学博士候选人Ashaduzzaman，而石墨烯能量收集器的构想源自该校物理学教授Paul Thibado。Thibado早在十多年前便开始研究石墨烯的奇异物理性质，并担任本研究的通讯作者。
研究成功的关键在于破解两大技术难题：
- 将传感器的功耗降至纳瓦（十亿分之一瓦）级别，相较当前以微瓦（百万分之一瓦）为单位的标准，实现了数量级的突破。
- 设计出能够高效收集本地环境能量的供能系统。
值得注意的是，整个系统并未采用传统电池，从而显著提升了设备的运行寿命。Thibado强调，这种传感器系统依靠本地能源进行供电，具备自给自足与高度自主的特点，同时延长了使用寿命，从而降低了整体运维成本。
阿肯色大学团队主要负责实现环境能量的收集，而密歇根大学团队则由电气工程与计算机科学教授David Blaauw领导，专注于传感器功耗的优化。Blaauw在低功耗无线传感器与嵌入式系统领域拥有丰富的经验，曾开发出可植入蝴蝶翅膀的微型传感器。
研究论文确认，利用石墨烯为基础的太阳能电池驱动超低功耗温度传感器是可行的。
Ashaduzzaman表示，团队尝试移除传统的电源管理单元，以期进一步降低系统功耗。“我们决定简化设计，并将三组太阳能电池直接连接至三个储能电容器，为温度传感器供电。”
Thibado进一步指出，未来计划开发具备多模态能量采集能力的传感器，使其能够整合太阳能、热能及非线性能量等多样化输入，从而实现更稳定的供电。
这种传感器将在那些更换电池成本高、人力维护困难的领域中具有广泛应用前景，例如农业气候监测、牲畜追踪、可穿戴健康监测、建筑预警系统、预测性维护等。
论文摘要中用通俗语言概述了实验过程，指出研究人员制造了多个石墨烯-硅太阳能电池，封装后测试其电流-电压特性。通过将电池串联，研究人员提升了输出电压，并利用三组独立太阳能电池为电容器充电，使其达到温度传感器所需电压。
摘要还指出，电容器充电仅需数分钟，却可为传感器系统提供超过24小时的持续运行，无需额外电源。由于省去了电源管理芯片和可充电电池，整体功耗显著下降，传感器寿命也因此大幅延长。
阿肯色大学的合著者还包括博士生Syed M. Rahman、Md R. Kabir和James M. Magnum。密歇根大学的合著者包括Hong Dao、Gordan Karinja以及David Blaauw。
Ashaduzzaman表示，他已经围绕温度传感器研究约一年半。下一步，他计划开发动能收集器，利用石墨烯特有的振动特性获取能量。该技术将与现有太阳能系统结合，最终实现多模态传感器的全面整合。
更多信息可参考：Ashaduzzaman 等人，《微石墨烯-硅太阳能电池阵列间歇性充电以驱动温度传感器的储能电容器》，《真空科学与技术杂志B》（2025）。DOI：10.1116/6.0004618
本研究由阿肯色大学提供。