Оптическая ректенна

Рисунок 1. Спектральная освещенность длин волн солнечного спектра. Заштрихованная красным область показывает освещенность на уровне моря. На уровне моря облучение меньше из-за поглощения света атмосферой.

Оптическая ректенна — это ректенна ( выпрямляющая тенна ) , работающая с видимым или инфракрасным светом. Ректенна — это цепь, содержащая антенну и диод , которая преобразует электромагнитные волны в постоянного тока электричество . 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 своей сути аналогичны оптическим ректеннам, на практике изготовить оптическую ректенну гораздо сложнее. Одна из проблем заключается в том, что свет имеет настолько высокую частоту (сотни терагерц для видимого света), что лишь несколько типов специализированных диодов могут переключаться достаточно быстро, чтобы выпрямить ее. Другая проблема заключается в том, что антенны, как правило, имеют размер, равный длине волны, поэтому очень маленькая оптическая антенна требует сложного процесса изготовления нанотехнологий . Третья проблема заключается в том, что оптическая антенна, будучи очень маленькой, обычно поглощает очень небольшую мощность и, следовательно, имеет тенденцию создавать небольшое напряжение на диоде, что приводит к низкой нелинейности диода и, следовательно, к низкой эффективности. Из-за этих и других проблем использование оптических ректенн до сих пор ограничивалось лабораторными демонстрациями, обычно с интенсивным сфокусированным лазерным светом, производящим небольшую, но измеримую мощность.

Тем не менее, есть надежда, что массивы оптических ректенн в конечном итоге смогут стать эффективным средством преобразования солнечного света в электроэнергию, производя солнечную энергию более эффективно, чем обычные солнечные элементы . Идея была впервые предложена Робертом Л. Бэйли в 1972 году. По состоянию на 2012 год было построено всего несколько оптических ректенн, что продемонстрировало лишь возможность преобразования энергии. Неизвестно, будут ли они когда-нибудь такими же экономичными и эффективными, как обычные фотоэлектрические элементы .

Термин «нантенна» (наноантенна) иногда используется для обозначения либо оптической ректенны, либо самой оптической антенны. В 2008 году сообщалось, что Национальные лаборатории Айдахо разработали оптическую антенну, поглощающую волны в диапазоне 3–15 мкм. Эти длины волн соответствуют энергиям фотонов от 0,4 эВ до 0,08 эВ . Согласно теории антенн, оптическая антенна может эффективно поглощать свет любой длины волны при условии, что размер антенны оптимизирован для этой конкретной длины волны. В идеале антенны должны использоваться для поглощения света с длинами волн от 0,4 до 1,6 мкм, поскольку эти длины волн имеют более высокую энергию, чем дальние инфракрасные области (более длинные волны), и составляют около 85% спектра солнечного излучения. (см. рисунок 1).

История

Роберт Бэйли вместе с Джеймсом К. Флетчером получил 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 диаметром 100 нм », для соединения металлического кошачьего уса с металлической поверхностью, покрытой тонким оксидным слоем. . Сообщалось, что Джаван выпрямил инфракрасный свет частотой 58 ТГц. В 1974 году Т. Густавсон и соавторы продемонстрировали, что устройства такого типа могут преобразовывать даже видимый свет в постоянный ток. Элвин М. Маркс получил в 1984 году патент на устройство, в котором прямо указано использование субмикронных антенн для прямого преобразования энергии света в электрическую. Устройство Маркса показало существенное улучшение эффективности по сравнению с устройством Бейли. В 1996 году Гуан Х. Линь сообщил о резонансном поглощении света изготовленной наноструктурой и выпрямлении света с частотами видимого диапазона. В 2002 году компания ITN Energy Systems, Inc. опубликовала отчет о своей работе над оптическими антеннами, связанными с высокочастотными диодами . ITN намеревалась создать решетку оптических ректенн с однозначной эффективностью. Хотя они и не увенчались успехом, проблемы, связанные с созданием высокоэффективной оптической ректенны, были лучше изучены.

В 2015 году Баратунде А. Колы исследовательская группа в Технологическом институте Джорджии разработала коллектор солнечной энергии, который может преобразовывать оптический свет в постоянный ток, — оптическую ректенну с использованием углеродных нанотрубок. Вертикальные массивы многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ), выращенные на подложках с металлическим покрытием, были покрыты изолирующим оксидом алюминия и полностью покрыты слоем металлического электрода. Небольшие размеры нанотрубок действуют как антенны, способные улавливать оптические длины волн. MWCNT также служит одним слоем металл-изолятор-металл (MIM) туннельного диода . Благодаря небольшому диаметру кончиков МУНТ эта комбинация образует диод, способный выпрямлять высокочастотное оптическое излучение. Общий достигнутый КПД преобразования этого устройства составляет около 10 ⁻⁵  %. Тем не менее, исследования оптических ректенн продолжаются.

Основным недостатком этих ректенн из углеродных нанотрубок является недостаточная устойчивость на воздухе. В структуре устройства, о которой первоначально сообщил Кола, в качестве полупрозрачного верхнего электрода использовался кальций, поскольку низкая работа выхода кальция (2,9 эВ) по сравнению с МУНТ (~ 5 эВ) создает диодную асимметрию, необходимую для оптического выпрямления. Однако металлический кальций весьма нестабилен на воздухе и быстро окисляется. Измерения приходилось проводить в перчаточном боксе в инертной среде, чтобы предотвратить поломку устройства. Это ограниченное практическое применение устройств.

Позже Кола и его команда решили проблемы нестабильности устройства, модифицировав структуру диода с помощью нескольких слоев оксида. В 2018 году они сообщили о первой воздушно-стабильной оптической ректенне, а также о повышении эффективности.

Воздушная стабильность этого нового поколения ректенн была достигнута за счет настройки квантового туннельного барьера диода. Они показали, что вместо одного диэлектрического изолятора использование нескольких разнородных оксидных слоев улучшает характеристики диода за счет модификации туннельного барьера диода. Используя оксиды с разным сродством к электрону, можно спроектировать туннелирование электронов 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 воздухостойкое серебро.

Будущие усилия будут сосредоточены на повышении эффективности устройства путем исследования альтернативных материалов, манипулирования МУНТ и изолирующими слоями для повышения проводимости на границе раздела и снижения сопротивления внутри структуры.

Теория

Теория оптических ректенн по существу такая же, как и теория традиционных (радио или микроволновых) ректенн . Падающий на антенну свет заставляет электроны в антенне двигаться вперед и назад с той же частотой, что и падающий свет. Это вызвано колеблющимся электрическим полем приходящей электромагнитной волны. Движение электронов представляет собой переменный ток (AC) в цепи антенны. Чтобы преобразовать его в постоянный ток (DC), необходимо выпрямить переменный ток , что обычно делается с помощью диода . Полученный постоянный ток затем можно использовать для питания внешней нагрузки.Резонансная частота антенн (частота, которая приводит к наименьшему импедансу и, следовательно, к наивысшей эффективности) линейно масштабируется в зависимости от физических размеров антенны в соответствии с простой теорией микроволновых антенн. Длины волн солнечного спектра находятся в диапазоне примерно 0,3–2,0 мкм. Таким образом, чтобы выпрямляющая антенна могла быть эффективным электромагнитным коллектором солнечного спектра, ее размер должен быть порядка сотен нанометров.

Рисунок 3. Изображение, показывающее скин-эффект на высоких частотах. Темная область на поверхности указывает на поток электронов, тогда как более светлая область (внутренняя часть) указывает на то, что поток электронов практически отсутствует.

Из-за упрощений, используемых в типичной теории выпрямляющих антенн, при обсуждении оптических ректенн возникает несколько сложностей. На частотах выше инфракрасного диапазона почти весь ток проходит 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 ВАХ больше не являются омическими, хотя закон Ома в его обобщенной векторной форме все еще действует.

Еще одна сложность уменьшения масштаба заключается в том, что диоды, используемые в ректеннах большего размера, не могут работать на ТГц частотах без больших потерь мощности. 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. Идеальные длины волн 0,4–1,6 мкм соответствуют частотам примерно 190–750 ТГц, что значительно превышает возможности типичных диодов. Следовательно, для эффективного преобразования энергии необходимо использовать альтернативные диоды. В современных оптических ректеннах металл-изолятор-металл (МИМ) туннельные диоды используются . В отличие от диодов Шоттки, на МИМ-диоды не влияют паразитные емкости , поскольку они работают на основе туннелирования электронов . По этой причине было показано, что MIM-диоды эффективно работают на частотах около 150 ТГц .

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 имеют значительное преимущество. Однако эти две эффективности рассчитываются с использованием разных допущений.Допущения, использованные при расчете ректенны, основаны на применении коэффициента эффективности Карно солнечных коллекторов. Эффективность Карно , η, определяется выражением

$\eta =1-{\frac {T_{\text{cold}}}{T_{\text{hot}}}}$

где T _cold — температура более холодного тела, а T _hot — температура более теплого тела. Для эффективного преобразования энергии разница температур между двумя телами должна быть значительной. Р.Л. Бэйли утверждает, что эффективность Карно не ограничивается ректеннами, в отличие от фотоэлектрических систем . Однако он не приводит никаких аргументов в пользу этого утверждения. Более того, когда те же предположения, которые использовались для получения теоретической эффективности ректенн в 85%, применяются к однопереходным солнечным элементам, теоретическая эффективность однопереходных солнечных элементов также превышает 85%.

Наиболее очевидным преимуществом оптических ректенн перед полупроводниковыми фотогальваниками является то, что массивы ректенн могут быть спроектированы так, чтобы поглощать свет любой частоты. Резонансную частоту оптической антенны можно выбирать, изменяя ее длину. Это преимущество перед полупроводниковыми фотовольтаиками, поскольку для поглощения света с разными длинами волн необходимы разные ширины запрещенной зоны. Чтобы изменить ширину запрещенной зоны, полупроводник должен быть легирован или вообще должен быть использован другой полупроводник.

Ограничения и недостатки

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

Еще одним недостатком является то, что современные оптические ректенны производятся с использованием электронно-лучевой ( электронно-лучевой ) литографии. Этот процесс медленный и относительно дорогой, поскольку параллельная обработка невозможна при электронно-лучевой литографии. Обычно электронно-лучевая литография используется только в исследовательских целях, когда требуется чрезвычайно высокое разрешение для минимального размера элемента (обычно порядка нанометров). Однако методы фотолитографии продвинулись настолько, что стало возможным иметь минимальные размеры элементов порядка десятков нанометров, что позволяет создавать ректенны с помощью фотолитографии.

Производство

После завершения проверки концепции кремниевые пластины в лабораторных условиях были изготовлены с использованием стандартных методов изготовления полупроводниковых интегральных схем. Электронно-лучевая литография была использована для изготовления решеток металлических конструкций рамочных антенн. Оптическая антенна состоит из трех основных частей: заземляющей пластины, оптической резонансной полости и антенны. Антенна поглощает электромагнитную волну, плоскость заземления отражает свет обратно к антенне, а полость оптического резонанса изгибается и концентрирует свет обратно к антенне через плоскость заземления. Эта работа не включала изготовление диода.

Метод литографии

Национальные лаборатории Айдахо использовали следующие шаги для изготовления оптических антенных решеток. Металлическую заземляющую пластину наносили на голую кремниевую пластину, а затем напыляли слой аморфного кремния. Глубина напыленного слоя составляла около четверти длины волны. В качестве антенны была нанесена тонкая пленка марганца вместе с золотой частотно-селективной поверхностью (для фильтрации полезной частоты). Резист наносился и моделировался с помощью электронно-лучевой литографии. Золотую пленку выборочно травили и резист удаляли.

Рулонное производство

При переходе к более масштабному производству этапы лабораторной обработки, такие как использование электронно-лучевой литографии, являются медленными и дорогостоящими. Поэтому был разработан метод производства рулонов с использованием новой технологии производства, основанной на мастер-шаблоне. Этот эталонный шаблон механически штампует точный шаблон на недорогой гибкой подложке и, таким образом, создает металлические петлевые элементы, которые можно увидеть на этапах лабораторной обработки. Мастер-шаблон, изготовленный Национальными лабораториями Айдахо, состоит примерно из 10 миллиардов антенных элементов на 8-дюймовой круглой кремниевой пластине. Используя этот полуавтоматический процесс, Национальная лаборатория Айдахо изготовила несколько квадратных купонов размером 4 дюйма . Эти купоны были объединены в широкий гибкий лист антенных решеток. Эта работа не включала изготовление диодной составляющей.

Нанесение атомного слоя

Исследователи из Университета Коннектикута используют метод, называемый селективным осаждением атомных слоев, который позволяет производить их надежно и в промышленных масштабах. Продолжаются исследования по настройке их на оптимальные частоты для видимого и инфракрасного света.

Экономика оптических антенн

Оптические антенны (сами по себе без важнейшего диода и других компонентов) дешевле фотоэлектрических (если не учитывать эффективность). При этом материалы и обработка фотоэлектрических модулей дороги (на данный момент стоимость готовых фотоэлектрических модулей составляет порядка 430 долл. /м). ² в 2011 году и снижается. ), Стивен Новак оценивает текущую стоимость самого материала антенны примерно в 5 - 11 долл./м. ² в 2008 году. По его оценкам, при правильных методах обработки и выборе другого материала общая стоимость обработки, если ее правильно увеличить, не будет намного больше. Его прототипом был пластик размером 30 х 61 см , который в 2008 году содержал всего 0,60 доллара США возможностью с перехода на такой материал, как алюминий , медь или серебро . В прототипе использовалась кремниевая подложка из-за знакомых технологий обработки, но теоретически можно использовать любую подложку, если материал заземляющего слоя прилегает должным образом.

Будущие исследования и цели

В интервью программе «Разговор о нации» Национального общественного радио доктор Новак заявил, что однажды оптические ректенны можно будет использовать для питания автомобилей, зарядки мобильных телефонов и даже охлаждения домов. Новак заявил, что последний из них будет работать как за счет поглощения инфракрасного тепла, имеющегося в комнате, так и за счет выработки электроэнергии, которую можно будет использовать для дальнейшего охлаждения комнаты. (Другие ученые оспаривают это, заявляя, что это нарушает второй закон термодинамики . )

Улучшение диода является важной задачей. Есть два сложных требования: скорость и нелинейность. Во-первых, диод должен иметь достаточную скорость для исправления видимого света. Во-вторых, если падающий свет не является чрезвычайно интенсивным, диод должен быть чрезвычайно нелинейным (намного более высокий прямой ток, чем обратный ток), чтобы избежать «утечки обратного смещения». Оценка сбора солнечной энергии показала, что для достижения высокой эффективности диоду потребуется ток (темновой) намного ниже 1 мкА при обратном смещении 1 В. В этой оценке предполагалось (оптимистично), что антенна представляет собой направленную антенную решетку, направленную прямо на Солнце; ректенне, которая собирает свет со всего неба, как это делает типичный кремниевый солнечный элемент, потребуется, чтобы ток обратного смещения был еще ниже, на порядки. (Диоду одновременно требуется высокий ток прямого смещения, связанный с согласованием импеданса с антенной.)

Есть специальные диоды для большого быстродействия (например, рассмотренные выше туннельные диоды металл-изолятор-металл), а есть специальные диоды для большой нелинейности, но найти диод, выдающийся в обоих отношениях сразу, довольно сложно.

Для повышения эффективности ректенны на основе углеродных нанотрубок:

• Низкая работа выхода : большая разница работы выхода (ВФ) между МУНТ необходима для максимизации асимметрии диода, что снижает напряжение включения, необходимое для индукции фотоответа. ВФ углеродных нанотрубок составляет 5 эВ, а ВФ верхнего слоя кальция — 2,9 эВ, что дает общую разницу работы выхода для МИМ-диода 2,1 эВ.
• Высокая прозрачность: в идеале верхние слои электродов должны быть прозрачными, чтобы входящий свет мог достигать антенн MWCNT.
• Низкое электрическое сопротивление: улучшение проводимости устройства увеличивает выходную выпрямленную мощность. Но есть и другие последствия сопротивления для производительности устройства. Идеальное согласование импеданса между антенной и диодом увеличивает выпрямленную мощность. Снижение сопротивления структуры также увеличивает частоту среза диода, что, в свою очередь, увеличивает эффективную полосу пропускания выпрямленных частот света. Нынешняя попытка использовать кальций в верхнем слое приводит к высокой устойчивости из-за быстрого окисления кальция.

В настоящее время исследователи надеются создать выпрямитель, который сможет преобразовать около 50% поглощения антенны в энергию. Еще одним направлением исследований будет то, как правильно масштабировать процесс до массового производства. Необходимо будет выбрать и протестировать новые материалы, которые будут легко соответствовать производственному процессу от рулона к рулону. Будущими целями будут попытки производства устройств на гибких подложках для создания гибких солнечных элементов.

См. также

• Графеновая антенна
• Металл-изолятор-графен (МИГ)
• Нано антенна
• Нанолазер

Внешние ссылки

• Официальный сайт НОВАСОЛИКС