石墨烯太阳能电池驱动温度传感器迈出关键一步
阿肯色大学与密歇根大学的研究人员成功开发出首批基于石墨烯的太阳能电池，用于为超低功耗温度传感器供能。这一成果标志着自主传感器系统开发的重要进展，这些系统能够从多种环境能源中获取能量，包括太阳能、热辐射、声波、动能以及非线性与环境辐射。
相关研究成果发表于《真空科学与技术杂志 B》。
研究团队的目标是打造可持续运行数十年的多模态传感器系统，这些设备将融合多种能源采集方式，为物联网和智能技术的广泛应用提供坚实支撑。
论文第一作者 Ashaduzzaman 是阿肯色大学物理学博士研究生，而石墨烯能量收集器的构想则源自物理学教授 Paul Thibado。Thibado 在过去十多年里一直专注于研究石墨烯的独特物理特性，并担任该研究的通讯作者。
实现这一目标的关键在于解决两大难题：
- 将传感器的功耗降低至纳瓦（十亿分之一瓦），当前主流标准仍以微瓦（百万分之一瓦）为单位。
- 设计能够从环境采集能量并为传感器供能的系统。
值得关注的是，该系统无需使用传统电池，避免了电池寿命受限的问题，从而有望实现长达数十年的稳定运行。
Paul Thibado 强调，“能源必须来源于周围环境，因此系统具备自给自足和自主运行能力。只要设置妥当，就可以长期稳定运行，几乎无需维护。”
阿肯色大学团队主要负责实现能源采集功能，而密歇根大学团队由电气工程与计算机科学教授 David Blaauw 领导，致力于降低传感器系统功耗。Blaauw 在低功耗无线传感器和嵌入式系统领域享有盛誉，曾设计过可植入蝴蝶翅膀的微型传感器。
研究证实，利用石墨烯为基础的太阳能电池制造超低功耗温度传感器是完全可行的。
Ashaduzzaman 表示，“我们尝试去除传统的电源管理单元，希望借此进一步降低功耗。随后，我们连接了三组太阳能电池，直接使用储能电容为温度传感器供电。”
Thibado 补充说，“未来我们计划打造能够同时采集多种环境能源的传感器设备。”
通过引入“多模态”能源采集机制，系统可以在太阳能不足时依赖热能或非线性能量维持运行，从而实现全天候稳定工作。
Thibado 认为，这一技术可广泛应用于多个领域。例如，农业中的气候监测、畜牧业的动物追踪、可穿戴设备的健康监测、建筑安全系统、工业预测性维护等，这些场景因电池更换频繁而成本较高，如今有望借助这种自供能技术实现突破。
论文摘要以通俗语言描述了研究过程，指出研究人员“制造了数十个石墨烯-硅太阳能电池，将其封装并测试了在光照条件下的电流-电压特性。随后，将这些电池串联以提高输出电压，并利用三组不同的太阳能电池为储能电容器充电，从而达到驱动温度传感器的电压水平。”
“储能电容器的充电时间只需数分钟，而传感器系统却能在无额外供电的情况下连续运行超过24小时。此外，借助储能电容器的设计，可省去传统的电源管理芯片和可充电电池，从而有效降低整体功耗，延长设备使用寿命。”
来自阿肯色大学的其他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则包括 Hongdao、Gordan Karadžić 及 David Blaauw。
Ashaduzzaman 表示，他已从事温度传感器研究约一年半时间。下一步，他计划开发一种动能收集器，能够利用石墨烯的振动特性获取能量，随后将该技术与现有太阳能采集系统结合，构建真正的多模态传感器。这是研究团队的下一阶段计划。
更多信息：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
来源：阿肯色大学