阿肯色大学和密歇根大学的研究人员报告了首次使用石墨烯基太阳能电池的超低功耗温度传感器。该测试是开发自主传感器系统的第一道难关，该系统从环境中的多个来源——太阳能、热辐射、声学、动能、非线性和环境辐射——汲取电力。

该研究发表在《真空科学与技术杂志B》上。

最终目标是开发利用石墨烯能量采集能力的多模态传感器（结合上述多种能源），这些传感器可持续数十年，有助于实现物联网，智能技术融入日常生活。

Ashaduzzaman是物理学博士候选人，是亚伯兰大学主导论文的第一作者，但石墨烯能量收集器是物理学教授Paul Thibado的创意，他十多年前开始研究石墨烯的独特性质，并担任通讯作者。

成功取决于克服两个挑战：

1. 将传感器功率需求降低到纳瓦，即十亿分之一瓦，而当前标准以微瓦（百万分之一瓦）为单位。

2. 利用从当地环境中收集的能量为传感器供能。

值得注意的是，该系统及预计未来系统不包括电池，电池寿命有限，使石墨烯基础的能量收集器能够实现较长的运行寿命——甚至数十年。

“电力必须来自本地环境，”蒂巴多解释道，“所以它是自给自足且自主的，并且必须拥有极长的使用寿命，才能显著降低总拥有成本。所以设定好，然后忘了它。”

亚伯兰大学团队主要负责完成上述第二个挑战，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，主要负责第一个挑战。Blaauw是低功耗无线传感器和嵌入式系统的专家。他甚至设计了可以植入蝴蝶翅膀上的微型传感器。

论文确认，利用石墨烯基太阳能制造超低功耗温度传感器是可能的。

“我们想如果能拆掉电源管理单元，也许这个传感器系统能消耗更少的电力，”阿沙杜扎曼解释道。“所以我们就这么做了。然后我们连接了三组太阳能电池，直接用三个储能电容器为温度系统供电。”

Thibado补充道：“我们预计将制造能够在设备内收集多种能源的设备。”

通过实现“多模态”，可以通过额外的热或非线性电力来弥补间歇性太阳能短缺，无论具体情况如何。

Thibado预见到传感器将用于那些传感器本应有用的领域和领域，但更换电池的需求将使得它们劳动力和成本过高。这可能包括农业气候监测、畜牧追踪、可穿戴健身监测、建筑报警系统、预测性维护以及其他广泛的应用。

论文摘要用通俗易懂的语言描述了这项工作，指出研究人员“制造了数十个石墨烯基太阳能电池，将其线粘成标准封装，并在照明下对每个电池的电流-电压特性进行了表征。接着，太阳能电池串联以提升输出电压。三组不同的太阳能电池用于为三个储能电容器充电，达到温度传感器所需的电压水平。

“存储电容器只需几分钟即可充电，但传感器系统可连续供电超过24小时且不需充电。使用储能电容还消除了对典型电源管理芯片和常用可充电电池的需求。因此，可以降低传感器系统的整体功耗，显著延长其使用寿命，“摘要中写道。

来自阿尔伯塔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还包括洪道和戈登·卡里奇纳，以及布劳。

Ashaduzzaman表示，他已经研究温度传感器大约一年半了。他说，下一步是完善一种动能收集器，能够从石墨烯独特的振动特性中收集能量。该能力随后将与太阳能传感器结合，形成多模态传感器。至少，这是计划。

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

由阿肯色大学提供