Оптическая ректенна
Рисунок 1. Спектральная освещенность длин волн в солнечном спектре. Красная заштрихованная область показывает освещенность на уровне моря. На уровне моря освещенность меньше из-за поглощения света атмосферой.

Оптическая ректенна — это ректенна ( выпрямляющая тенна ), которая работает с видимым или инфракрасным светом. [1] Ректенна — это схема, содержащая антенну и диод , который превращает электромагнитные волны в постоянный ток . В то время как ректенны уже давно используются для радиоволн или микроволн , оптическая ректенна будет работать таким же образом, но с инфракрасным или видимым светом, превращая его в электричество .

Хотя традиционные (радио- и микроволновые) ректенны по сути своей похожи на оптические ректенны, на практике гораздо сложнее изготовить оптическую ректенну. Одна из проблем заключается в том, что свет имеет такую ​​высокую частоту — сотни терагерц для видимого света — что только несколько типов специализированных диодов могут переключаться достаточно быстро, чтобы выпрямить его. Другая проблема заключается в том, что антенны, как правило, имеют размер, близкий к длине волны, поэтому для изготовления очень маленькой оптической антенны требуется сложный нанотехнологический процесс изготовления. Третья проблема заключается в том, что, будучи очень маленькой, оптическая антенна обычно поглощает очень мало энергии и, следовательно, имеет тенденцию вырабатывать крошечное напряжение в диоде, что приводит к низкой нелинейности диода и, следовательно, к низкой эффективности. Из-за этих и других проблем оптические ректенны до сих пор ограничивались лабораторными демонстрациями, как правило, с интенсивным сфокусированным лазерным светом, производящим крошечное, но измеримое количество энергии.

Тем не менее, есть надежда, что массивы оптических ректенн в конечном итоге могут стать эффективным средством преобразования солнечного света в электроэнергию, производя солнечную энергию более эффективно, чем обычные солнечные элементы . Идея была впервые предложена Робертом Л. Бейли в 1972 году. [2] По состоянию на 2012 год было построено лишь несколько оптических ректенных устройств, демонстрирующих только то, что преобразование энергии возможно. [3] Неизвестно, будут ли они когда-либо столь же рентабельными или эффективными, как обычные фотоэлектрические элементы .

Термин нанантенна (наноантенна) иногда используется для обозначения либо оптической ректенны, либо оптической антенны как таковой. [4] В 2008 году сообщалось, что Национальные лаборатории Айдахо разработали оптическую антенну для поглощения длин волн в диапазоне 3–15 мкм. [5] Эти длины волн соответствуют энергиям фотонов от 0,4 эВ до 0,08 эВ . Согласно теории антенн, оптическая антенна может эффективно поглощать любую длину волны света при условии, что размер антенны оптимизирован для этой конкретной длины волны. В идеале антенны будут использоваться для поглощения света на длинах волн от 0,4 до 1,6 мкм, поскольку эти длины волн имеют более высокую энергию, чем дальний инфракрасный диапазон (более длинные волны) и составляют около 85% спектра солнечного излучения [6] (см. Рисунок 1).

История

Роберт Бейли вместе с Джеймсом К. Флетчером получили патент ( US 3760257  ) в 1973 году на «преобразователь энергии электромагнитных волн». Запатентованное устройство было похоже на современные оптические ректенны. В патенте обсуждается использование диода «типа, описанного [ Али Джаваном ] в IEEE Spectrum, октябрь 1971 г., стр. 91», а именно, металлический кошачий ус диаметром 100 нм к металлической поверхности, покрытой тонким оксидным слоем. Сообщалось, что Джаван выпрямил инфракрасный свет частотой 58 ТГц. В 1974 году Т. Густафсон и соавторы продемонстрировали, что эти типы устройств могут выпрямлять даже видимый свет в постоянный ток [7] Элвин М. Маркс получил патент в 1984 году на устройство, в котором явно указывалось на использование субмикронных антенн для прямого преобразования световой мощности в электрическую. [8] Устройство Маркса показало существенное улучшение эффективности по сравнению с устройством Бейли. [9] В 1996 году Гуан Х. Линь сообщил о резонансном поглощении света изготовленной наноструктурой и выпрямлении света с частотами в видимом диапазоне. [9] В 2002 году ITN Energy Systems, Inc. опубликовала отчет о своей работе над оптическими антеннами, сопряженными с высокочастотными диодами . ITN приступила к созданию оптической ректенной решетки с эффективностью, составляющей одну цифру. Хотя они и потерпели неудачу, проблемы, связанные с созданием высокоэффективной оптической ректенны, были лучше поняты. [6]

В 2015 году исследовательская группа Баратунде А. Колы в Технологическом институте Джорджии разработала солнечный коллектор энергии, который может преобразовывать оптический свет в постоянный ток, оптическую ректенну с использованием углеродных нанотрубок. [10] Вертикальные массивы многослойных углеродных нанотрубок (MWCNT), выращенных на подложках с металлическим покрытием, были покрыты изолирующим оксидом алюминия и полностью покрыты слоем металлического электрода. Малые размеры нанотрубок действуют как антенны, способные улавливать оптические длины волн. MWCNT также выполняет функцию одного слоя туннельного диода металл-изолятор-металл (MIM) . Из-за малого диаметра кончиков MWCNT эта комбинация образует диод, способный выпрямлять высокочастотное оптическое излучение. Общая достигнутая эффективность преобразования этого устройства составляет около 10−5 %  . [10] Тем не менее, исследования оптических ректенн продолжаются.

Основным недостатком этих ректенных устройств на основе углеродных нанотрубок является отсутствие стабильности на воздухе. Первоначально описанная Колой структура устройства использовала кальций в качестве полупрозрачного верхнего электрода, поскольку низкая работа выхода кальция (2,9 эВ) по сравнению с MWCNT (~5 эВ) создает асимметрию диода, необходимую для оптического выпрямления. Однако металлический кальций крайне нестабилен на воздухе и быстро окисляется. Измерения приходилось проводить в перчаточном боксе в инертной среде, чтобы предотвратить поломку устройства. Это ограничивало практическое применение устройств.

Кола и его команда позже решили проблемы с нестабильностью устройства, модифицировав структуру диода с помощью нескольких слоев оксида. В 2018 году они сообщили о первой стабильной на воздухе оптической ректенне вместе с улучшениями эффективности.

Стабильность этого нового поколения ректенн на воздухе была достигнута путем адаптации квантового туннельного барьера диода. Вместо одного диэлектрического изолятора они показали, что использование нескольких разнородных оксидных слоев улучшает производительность диода за счет модификации туннельного барьера диода. Используя оксиды с различным сродством к электрону, туннелирование электронов может быть спроектировано для получения асимметричного отклика диода независимо от работы выхода двух электродов. Используя слои Al 2 O 3 и HfO 2 , был сконструирован диод с двойным изолятором ( металл-изолятор-изолятор-металл (MIIM)), который улучшил асимметричный отклик диода более чем в 10 раз без необходимости использования кальция с низкой работой выхода, а верхний металл впоследствии был заменен на стабильное на воздухе серебро.

Дальнейшие усилия будут сосредоточены на повышении эффективности устройства путем исследования альтернативных материалов, манипулирования многостенными углеродными нанотрубками и изолирующими слоями для стимуляции проводимости на границе раздела и снижения сопротивления внутри конструкции.

Теория

Теория, лежащая в основе оптических ректенн, по сути та же, что и для традиционных (радио- или микроволновых) антенн . Падающий на антенну свет заставляет электроны в антенне двигаться вперед и назад на той же частоте, что и входящий свет. Это вызвано осциллирующим электрическим полем входящей электромагнитной волны. Движение электронов представляет собой переменный ток (AC) в цепи антенны. Чтобы преобразовать его в постоянный ток (DC), переменный ток должен быть выпрямлен, что обычно делается с помощью диода . Полученный постоянный ток затем может быть использован для питания внешней нагрузки. Резонансная частота антенн (частота, которая приводит к самому низкому импедансу и, следовательно, к самой высокой эффективности) линейно масштабируется с физическими размерами антенны в соответствии с простой теорией микроволновых антенн. [6] Длины волн в солнечном спектре находятся в диапазоне приблизительно 0,3-2,0 мкм. [6] Таким образом, для того, чтобы выпрямляющая антенна была эффективным электромагнитным коллектором в солнечном спектре, она должна иметь размер порядка сотен нм.

Рисунок 3. Изображение, демонстрирующее скин-эффект на высоких частотах. Темная область на поверхности указывает на поток электронов, тогда как более светлая область (внутренняя) указывает на небольшой поток электронов или его отсутствие.

Из-за упрощений, используемых в типичной теории выпрямляющих антенн, при обсуждении оптических ректенн возникает несколько осложнений. На частотах выше инфракрасного диапазона почти весь ток переносится вблизи поверхности провода, что уменьшает эффективную площадь поперечного сечения провода, что приводит к увеличению сопротивления. Этот эффект также известен как « скин-эффект ». С чисто приборной точки зрения характеристики IV, по-видимому, больше не являются омическими, хотя закон Ома в его обобщенной векторной форме по-прежнему действителен.

Еще одной сложностью уменьшения масштаба является то, что диоды, используемые в более крупных ректеннах, не могут работать на частотах ТГц без большой потери мощности. [5] Большая потеря мощности является результатом емкости перехода (также известной как паразитная емкость), обнаруженной в диодах с pn-переходом и диодах Шоттки, которые могут эффективно работать только на частотах менее 5 ТГц. [6] Идеальные длины волн 0,4–1,6 мкм соответствуют частотам приблизительно 190–750 ТГц, что намного больше возможностей типичных диодов. Поэтому для эффективного преобразования мощности необходимо использовать альтернативные диоды. В современных оптических ректеннах используются туннельные диоды металл-изолятор-металл (MIM) . В отличие от диодов Шоттки, MIM-диоды не подвержены влиянию паразитных емкостей , поскольку они работают на основе электронного туннелирования . Из-за этого было показано, что MIM-диоды эффективно работают на частотах около 150 ТГц . [6]

Преимущества

Одним из самых больших заявленных преимуществ оптических ректенн является их высокая теоретическая эффективность. По сравнению с теоретической эффективностью однопереходных солнечных элементов (30%) оптические ректенны, по-видимому, имеют значительное преимущество. Однако эти две эффективности рассчитываются с использованием различных предположений. Предположения, используемые при расчете ректенн, основаны на применении эффективности Карно солнечных коллекторов. Эффективность Карно , η, определяется как

η = 1 − Т холодный Т горячий {\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{\text{холодно}}}{T_{\text{горячо}}}}}

где T cold — температура более холодного тела, а T hot — температура более теплого тела. Для того чтобы было эффективное преобразование энергии, разница температур между двумя телами должна быть значительной. RL Bailey утверждает, что ректенны не ограничены эффективностью Карно, тогда как фотоэлектрические устройства ограничены. Однако он не приводит никаких аргументов в пользу этого утверждения. Более того, когда те же самые предположения, которые использовались для получения 85% теоретической эффективности для ректенн, применяются к однопереходным солнечным элементам, теоретическая эффективность однопереходных солнечных элементов также превышает 85%.

Наиболее очевидным преимуществом оптических ректенн перед полупроводниковыми фотоэлектрическими элементами является то, что ректенные решетки могут быть спроектированы для поглощения любой частоты света. Резонансную частоту оптической антенны можно выбирать, изменяя ее длину. Это преимущество перед полупроводниковыми фотоэлектрическими элементами, поскольку для поглощения различных длин волн света необходимы различные запрещенные зоны. Для изменения запрещенной зоны полупроводник должен быть легирован или должен быть использован другой полупроводник. [5]

Ограничения и недостатки

Как уже говорилось, одним из основных ограничений оптических ректенн является частота, на которой они работают. Высокая частота света в идеальном диапазоне длин волн делает использование типичных диодов Шоттки непрактичным. Хотя диоды MIM показывают многообещающие возможности для использования в оптических ректеннах, необходимы дополнительные усовершенствования для эффективной работы на более высоких частотах. [11]

Другим недостатком является то, что современные оптические ректенны производятся с использованием электронно-лучевой ( e-beam ) литографии. Этот процесс медленный и относительно дорогой, поскольку параллельная обработка невозможна с помощью электронно-лучевой литографии. Обычно электронно-лучевая литография используется только в исследовательских целях, когда требуются чрезвычайно высокие разрешения для минимального размера элемента (обычно порядка нанометров). Однако фотолитографические методы продвинулись настолько, что стало возможным иметь минимальные размеры элемента порядка десятков нанометров, что позволяет производить ректенны с помощью фотолитографии. [11]

Производство

После завершения проверки концепции были изготовлены лабораторные кремниевые пластины с использованием стандартных методов изготовления полупроводниковых интегральных схем. Для изготовления массивов металлических структур рамочной антенны использовалась электронно-лучевая литография. Оптическая антенна состоит из трех основных частей: заземляющей плоскости, оптической резонансной полости и антенны. Антенна поглощает электромагнитную волну, заземляющая плоскость отражает свет обратно к антенне, а оптическая резонансная полость изгибает и концентрирует свет обратно к антенне через заземляющую плоскость. [5] Эта работа не включала производство диода.

Метод литографии

Idaho National Labs использовала следующие шаги для изготовления своих оптических антенных решеток. Металлическая заземляющая плоскость была нанесена на голую кремниевую пластину, за которой следовал нанесенный методом распыления аморфный кремниевый слой. Глубина нанесенного слоя составляла около четверти длины волны. Тонкая марганцевая пленка вместе с золотой частотно-селективной поверхностью (для фильтрации нужной частоты) была нанесена в качестве антенны. Резист был нанесен и структурирован с помощью электронно-лучевой литографии. Золотая пленка была селективно протравлена, а резист удален.

Производство рулонов

При переходе к более масштабному производству лабораторные этапы обработки, такие как использование электронно-лучевой литографии, являются медленными и дорогими. Поэтому был разработан метод производства «рулон-в-рулон» с использованием новой производственной технологии, основанной на мастер-шаблоне. Этот мастер-шаблон механически штампует точный шаблон на недорогой гибкой подложке и тем самым создает металлические петлевые элементы, которые можно увидеть на этапах лабораторной обработки. Мастер-шаблон, изготовленный Idaho National Laboratories, состоит примерно из 10 миллиардов антенных элементов на 8-дюймовой круглой кремниевой пластине. Используя этот полуавтоматический процесс, Idaho National Labs изготовила ряд 4-дюймовых квадратных купонов. Эти купоны были объединены для формирования широкого гибкого листа антенных решеток. Эта работа не включала производство диодного компонента.

Атомно-слоевое осаждение

Исследователи из Университета Коннектикута используют технологию, называемую селективным осаждением атомных слоев, которая позволяет производить их надежно и в промышленных масштабах. [12] Продолжаются исследования по настройке их на оптимальные частоты для видимого и инфракрасного света.

Экономика оптических антенн

Оптические антенны (сами по себе, исключая важный диод и другие компоненты) дешевле фотоэлектрических (если игнорировать эффективность). В то время как материалы и обработка фотоэлектрических элементов дороги (в настоящее время стоимость полных фотоэлектрических модулей составляет порядка 430 долларов США / м 2 в 2011 году и снижается. [13] ), Стивен Новак оценивает текущую стоимость самого материала антенны примерно в 5 - 11 долларов США / м 2 в 2008 году. [14] При надлежащих методах обработки и другом выборе материалов, по его оценкам, общая стоимость обработки, после надлежащего масштабирования, не будет стоить намного больше. Его прототип представлял собой пластик размером 30 x 61 см , который содержал всего 0,60 доллара США золота в 2008 году, с возможностью понижения до такого материала, как алюминий , медь или серебро . [15] В прототипе использовалась кремниевая подложка из-за известных методов обработки, но теоретически можно использовать любую подложку, если материал заземляющей плоскости хорошо прилипает.

Будущие исследования и цели

В интервью на National Public Radio's Talk of the Nation доктор Новак заявил, что оптические ректенны могут быть однажды использованы для питания автомобилей, зарядки мобильных телефонов и даже охлаждения домов. Новак утверждал, что последний из них будет работать, поглощая инфракрасное тепло, имеющееся в помещении, и вырабатывая электричество, которое может быть использовано для дальнейшего охлаждения помещения. (Другие ученые оспаривают это, говоря, что это нарушает второй закон термодинамики . [16] [17] )

Улучшение диода является важной задачей. Существует два сложных требования: скорость и нелинейность. Во-первых, диод должен иметь достаточную скорость для выпрямления видимого света. Во-вторых, если входящий свет не является чрезвычайно интенсивным, диод должен быть чрезвычайно нелинейным (гораздо более высокий прямой ток, чем обратный ток), чтобы избежать «утечки обратного смещения». Оценка сбора солнечной энергии показала, что для получения высокой эффективности диоду потребуется (темновой) ток намного ниже 1 мкА при обратном смещении 1 В. [18] Эта оценка предполагала (оптимистично), что антенна представляет собой направленную антенную решетку, направленную прямо на солнце; ректенна, которая собирает свет со всего неба, как это делает типичный кремниевый солнечный элемент, должна была бы иметь ток обратного смещения еще ниже, на порядки величины. (Диоду одновременно требуется высокий ток прямого смещения, связанный с согласованием импеданса с антенной.)

Существуют специальные диоды для высокой скорости (например, туннельные диоды металл-изолятор-металл, рассмотренные выше), а также специальные диоды для высокой нелинейности, но довольно сложно найти диод, который был бы выдающимся в обоих отношениях одновременно.

Для повышения эффективности ректенны на основе углеродных нанотрубок:

  • Низкая работа выхода : большая разница в работе выхода (WF) между MWCNT необходима для максимизации асимметрии диода, что снижает напряжение включения, необходимое для индуцирования фотореакции. WF углеродных нанотрубок составляет 5 эВ, а WF верхнего слоя кальция составляет 2,9 эВ, что дает общую разницу в работе выхода 2,1 эВ для диода MIM.
  • Высокая прозрачность: в идеале верхние слои электродов должны быть прозрачными, чтобы входящий свет достигал антенн MWCNT.
  • Низкое электрическое сопротивление: улучшение проводимости устройства увеличивает выходную выпрямленную мощность. Но есть и другие воздействия сопротивления на производительность устройства. Идеальное согласование импеданса между антенной и диодом увеличивает выпрямленную мощность. Снижение структурного сопротивления также увеличивает частоту среза диода, что, в свою очередь, увеличивает эффективную полосу пропускания выпрямленных частот света. Текущая попытка использовать кальций в верхнем слое приводит к высокому сопротивлению из-за быстрого окисления кальция.

В настоящее время исследователи надеются создать выпрямитель, который сможет преобразовывать около 50% поглощения антенны в энергию. [14] Другим направлением исследований будет то, как правильно масштабировать процесс для массового производства. Необходимо будет выбрать и протестировать новые материалы, которые будут легко соответствовать процессу производства рулон-в-рулон. Будущие цели будут заключаться в попытке изготовить устройства на гибких подложках для создания гибких солнечных элементов.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Моддел, Гаррет; Гровер, Сачит (2013). Гаррет Моддел; Сачит Гровер (ред.). Солнечные элементы ректенны. Спрингер. ISBN 978-1-4614-3716-1.
  2. ^ Corkish, R; MA Green; T Puzzer (декабрь 2002 г.). «Сбор солнечной энергии антеннами». Solar Energy . 73 (6): 395– 401. Bibcode :2002SoEn...73..395C. doi :10.1016/S0038-092X(03)00033-1. hdl : 1959.4/40066 . ISSN  0038-092X. S2CID  122707077.
  3. ^ "M254 Искусство и инженерия/Научные исследования". www.mat.ucsb.edu . Получено 2023-11-06 .
  4. ^ Авад, Эхаб (21 августа 2019 г.). «Наноплазмонная оптическая система Bundt Optenna для широкополосного поляризационно-нечувствительного и улучшенного инфракрасного обнаружения». Scientific Reports . 9 (1): 12197. Bibcode :2019NatSR...912197A. doi :10.1038/s41598-019-48648-6. ISSN  2045-2322. PMC 6704059 . PMID  31434970. 
  5. ^ abcd Дейл К. Коттер; Стивен Д. Новак; В. Деннис Слафер; Патрик Пиньеро (август 2008 г.). Солнечные антенные электромагнитные коллекторы (PDF) . 2-я Международная конференция по устойчивому развитию энергетики. INL/CON-08-13925. Архивировано из оригинала (PDF) 11 августа 2016 г. Получено 12 июня 2016 г.
  6. ^ abcdef Берланд, Б. (2009-04-13). "Фотоэлектрические технологии за горизонтом: оптическая ректенна солнечной батареи" (PDF) . Национальная лаборатория возобновляемой энергии.
  7. ^ Heiblum, M.; Shihyuan Wang; Whinnery, John R.; Gustafson, T. (март 1978). «Характеристики интегрированных MOM-переходов на постоянном токе и оптических частотах». IEEE Journal of Quantum Electronics . 14 (3): 159– 169. Bibcode : 1978IJQE...14..159H. doi : 10.1109/JQE.1978.1069765. ISSN  0018-9197. S2CID  21688285.
  8. ^ "Патент США: 4445050 - Устройство для преобразования световой энергии в электрическую". uspto.gov .[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]
  9. ^ ab Lin, Guang H.; Reyimjan Abdu; John O'M. Bockris (1996-07-01). "Исследование резонансного поглощения света и выпрямления субнаноструктурами". Journal of Applied Physics . 80 (1): 565– 568. Bibcode : 1996JAP....80..565L. doi : 10.1063/1.362762. ISSN  0021-8979. Архивировано из оригинала 2013-02-23.
  10. ^ аб Шарма, Аша; Сингх, Вирендра; Баугер, Томас Л.; Кола, Баратунде А. (2015). «Оптическая ректенна из углеродных нанотрубок». Природные нанотехнологии . 10 (12): 1027– 1032. Бибкод : 2015НатНа..10.1027С. дои : 10.1038/nnano.2015.220. ПМИД  26414198.
  11. ^ ab "NANTENNA" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2014-05-25 . Получено 2014-05-25 .
  12. ^ "Запатентованная технология профессора UConn — ключ к новой технологии солнечной энергии". Университет Коннектикута. 4 февраля 2013 г. Получено 22 апреля 2013 г.
  13. ^ "Цены на фотоэлектрические модули Solarbuzz". Май 2011. Архивировано из оригинала 2013-08-11.
  14. ^ ab "Nanoheating", Talk of the Nation. Национальное общественное радио. 22 августа 2008 г. Стенограмма. NPR. 15 февраля 2009 г.
  15. ^ Грин, Хэнк. «Наноантенны для солнечной энергетики, освещения и управления климатом. Архивировано 22 апреля 2009 г. в Wayback Machine », Ecogeek . 7 февраля 2008 г. 15 февраля 2009 г. Интервью с доктором Новаком.
  16. ^ Моддел, Гаррет (2013). «Будут ли ректенные солнечные элементы практичными?». В Гаррет Моддел; Сачит Гровер (ред.). Ректенные солнечные элементы . Springer New York. стр.  3–24 . doi :10.1007/978-1-4614-3716-1_1. ISBN 978-1-4614-3715-4.Цитата: «В литературе обсуждалось использование инфракрасных ректенн для сбора тепла, излучаемого поверхностью Земли. Этого нельзя достичь с помощью солнечных элементов, работающих при температуре окружающей среды, из-за второго закона термодинамики» (стр. 18)
  17. ^ SJ Byrnes; R. Blanchard; F. Capasso (2014). «Получение возобновляемой энергии из излучений Земли в среднем инфракрасном диапазоне» (PDF) . PNAS . 111 (11): 3927– 3932. Bibcode :2014PNAS..111.3927B. doi : 10.1073/pnas.1402036111 . PMC 3964088 . PMID  24591604. Цитата: «...в литературе также время от времени встречаются предложения использовать ректенны или другие устройства для сбора энергии из излучения LWIR (20-23). ​​Однако эти анализы не учитывают тепловые колебания диода, как обсуждается ниже и в ссылке 12, что приводит к абсурдному выводу о том, что устройство комнатной температуры может генерировать полезную мощность, собирая окружающее излучение от объектов комнатной температуры».
  18. ^ Rectenna Solar Cells , под ред. Moddel и Grover, стр. 10
  • Официальный сайт NOVASOLIX
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Оптическая_ректенна&oldid=1263091292"