WikiDer > Оптическая ректенна

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

An оптическая ректенна это ректенна (прямоугольникесли яTenna), который работает с видимым или инфракрасным светом.[1] Ректенна - это цепь, содержащая антенна и диод, который превращает электромагнитные волны в постоянный ток электричество. В то время как ректенны издавна использовались для радиоволны или же микроволны, оптическая ректенна будет работать так же, но с инфракрасным или видимым светом, превращая его в электричество.

Хотя традиционные (радио- и микроволновые) ректенны принципиально похожи на оптические ректенны, на практике сделать оптические ректенны намного сложнее. Одна из проблем заключается в том, что свет имеет такую ​​высокую частоту - сотни терагерц для видимого света - то, что только несколько типов специализированных диодов могут переключаться достаточно быстро, чтобы его исправить. Другая проблема заключается в том, что антенны обычно имеют размер, равный длине волны, поэтому очень крошечная оптическая антенна требует сложного нанотехнологии процесс изготовления. Третья проблема заключается в том, что оптическая антенна, будучи очень маленькой, обычно поглощает очень мало энергии и поэтому имеет тенденцию создавать крошечное 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, как правило, с интенсивным сфокусированным лазерным светом, производящим крошечную, но измеримую мощность.

Тем не менее, есть надежда, что массивы оптических ректенн в конечном итоге могут стать эффективным средством преобразования солнечного света в электроэнергию, производящего солнечная энергия более эффективно, чем обычные солнечные батареи. Идея была впервые предложена Робертом Л. Бейли в 1972 году.[2] По состоянию на 2012 год было построено всего несколько оптических ректеннных устройств, демонстрирующих только возможность преобразования энергии.[3] Неизвестно, будут ли они когда-нибудь такими же рентабельными или эффективными, как обычные. фотоэлектрические элементы.

Период, термин нантенна (наноантенна) иногда используется для обозначения либо оптической ректенны, либо самой оптической антенны. В настоящее время Национальные лаборатории Айдахо разработали оптическую антенну для поглощения волн в диапазоне 3–15 мкм.[4] Эти длины волн соответствуют энергиям фотонов 0.4 эВ вплоть до 0,08 эВ. Основываясь на 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 на длинах волн между 0,4 и 1,6 мкм потому что эти длины волн имеют более высокую энергию, чем дальний инфракрасный (более длинные волны), и составляют около 85% спектра солнечного излучения[5] (см. рисунок 1).

История

Роберт Бейли вместе с Джеймсом К. Флетчером получил патент (США 3760257 ) в 1973 г. для «преобразователя энергии электромагнитных волн». Запатентованное устройство было похоже на современные оптические ректенны. В патенте обсуждается использование диода "типа, описанного [Али Джаван] в IEEE Spectrum, октябрь 1971 г., стр.91", то есть металл диаметром 100 нм. кошачий ус к металлической поверхности, покрытой тонким слоем оксида. Сообщается, что Яван выпрямил инфракрасный свет 58 ТГц. В 1974 году Т. Густафсон и соавторы продемонстрировали, что эти типы устройств могут преобразовывать даже видимый свет в постоянный ток.[6] Элвин М. Маркс получил патент в 1984 году на устройство, в котором прямо говорится об использовании субмикронных антенн для прямого преобразования энергии света в электрическую.[7] Устройство Маркса показало существенные улучшения в эффективности по сравнению с устройством Бейли.[8]В 1996 году Гуан Х. Линь сообщил о резонансном поглощении света изготовленной наноструктурой и выпрямлении света с частотами в видимом диапазоне.[8] В 2002 году ITN Energy Systems, Inc. опубликовала отчет о своей работе над оптическими антеннами, связанными с высокочастотными антеннами. диоды. ITN приступила к созданию оптической ректеннной решетки с однозначной эффективностью. Хотя они и не увенчались успехом, проблемы, связанные с созданием высокоэффективной оптической ректенны, были поняты лучше.[5]

В 2015 г. Баратунде А. Колаисследовательская группа в Технологический институт Джорджии, разработали коллектор солнечной энергии, который может преобразовывать оптический свет в постоянный ток, оптическую ректенну с использованием углеродных нанотрубок.[9] Вертикальные массивы многостенных углеродные нанотрубки (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 волны. MWCNT также служит одним слоем металла-изолятора-металла (MIM). туннельный диод. Из-за небольшого диаметра наконечников MWCNT эта комбинация образует диод, способный выпрямлять высокочастотное оптическое излучение. Общая достигнутая эффективность преобразования этого устройства составляет около 10−5 %.[9] Тем не менее, исследования оптических ректенн продолжаются.

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

Позже Кола и его команда решили проблему нестабильности устройства, изменив структуру диода с помощью нескольких слоев оксида. В 2018 году они сообщили о первой стабильной в воздухе оптической ректенне, а также о повышении эффективности.

Устойчивость к воздуху 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 изменения 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 Al2O3 и HfO2, был сконструирован диод с двойным изолятором, который улучшил асимметричный отклик диода более чем в 10 раз без необходимости использования кальция с низкой работой выхода, а затем верхний металл был заменен на устойчивое к воздуху серебро.

В будущем были предприняты усилия по повышению эффективности устройства путем исследования альтернативных материалов, манипулирования MWCNT и изолирующими слоями для поощрения проводимости на границе раздела и уменьшения сопротивления внутри структуры.

Теория

Теория оптических ректенн по сути такая же, как и для традиционных (радио или микроволновых). ректенны. 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 падающей электромагнитной волны. Движение электронов - это переменный ток (AC) в цепи антенны. Чтобы преобразовать это в постоянный ток (DC), AC необходимо исправить, что обычно делается с помощью диод. Результирующий постоянный ток затем может использоваться для питания внешней нагрузки. Резонансная частота антенн (частота, которая приводит к наименьшему импедансу и, следовательно, наивысшей эффективности) линейно масштабируется с физическими размерами антенны в соответствии с простой теорией микроволновой антенны.[5] Длины волн в солнечном спектре находятся в диапазоне примерно 0,3–2,0 мкм.[5] Таким образом, для того, чтобы выпрямляющая антенна была эффективным электромагнитным коллектором в солнечном спектре, она должна быть размером порядка сотен нм.

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 незначительный поток электронов или его отсутствие.

Из-за упрощений, используемых в теории типичных выпрямляющих антенн, при обсуждении оптических ректенн возникает несколько сложностей. На частотах выше инфракрасного почти весь ток проходит около 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, казалось бы, больше не омические, хотя закон Ома в его обобщенной векторной форме все еще действует.

Еще одна сложность уменьшения масштаба заключается в том, что диоды используемые в более крупномасштабных ректеннах не могут работать на частотах ТГц без больших потерь мощности.[4] Большая потеря мощности является результатом емкости перехода (также известной как паразитная емкость), обнаруженной в диодах с p-n переходом и диодах Шоттки, которые могут эффективно работать только на частотах менее 5 ТГц.[5] Идеальные длины волн 0,4–1,6 мкм соответствуют частотам примерно 190–750 ТГц, что намного больше, чем возможности типичных диодов. Следовательно, для эффективного преобразования энергии необходимо использовать альтернативные диоды. В современных оптических ректеннах металл-изолятор-металл (MIM) туннельные диоды используются. В отличие от диодов Шоттки, MIM-диоды не подвержены влиянию паразитные емкости потому что они работают на основе электронное туннелирование. Из-за этого было показано, что MIM-диоды эффективно работают на частотах около 150 ТГц.[5]

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 два коэффициента полезного действия рассчитываются с использованием различных допущений. Допущения, используемые при расчете ректенны, основаны на применении эффективности Карно солнечных коллекторов. В Эффективность Карно, η, определяется выражением

где Tхолодный - температура более холодного тела, а Tгорячей это температура более теплого тела. Для эффективного преобразования энергии разница температур между двумя телами должна быть значительной. Р. Л. Бейли утверждает, что ректенны не ограничиваются эффективностью Карно, тогда как фотогальваника находятся. Однако он не приводит никаких аргументов в пользу этого утверждения. Более того, когда те же предположения, которые использовались для получения 85% теоретической эффективности для ректенн, применяются к солнечным элементам с одним переходом, теоретическая эффективность солнечных элементов с одним переходом также превышает 85%.

Наиболее очевидное преимущество оптических ректенн по сравнению с полупроводниковыми фотоэлектрическими элементами состоит в том, что массивы ректенн могут быть сконструированы для поглощения света любой частоты. Резонансную частоту оптической антенны можно выбрать, варьируя ее длину. Это преимущество перед полупроводниковой фотовольтаикой, потому что для поглощения света разных длин волн необходимы разные запрещенные зоны. Чтобы изменить ширину запрещенной зоны, полупроводник должен быть легирован или вообще должен использоваться другой полупроводник.[4]

Ограничения и недостатки

Как указывалось ранее, 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 MIM-диоды демонстрируют многообещающие функции для использования в оптических ректеннах, необходимы дальнейшие достижения для эффективной работы на более высоких частотах.[10]

Другой недостаток заключается в том, что современные оптические ректенны изготавливаются с использованием электронного луча (электронный луч) литография. Этот процесс медленный и относительно дорогой, поскольку параллельная обработка невозможна с помощью электронно-лучевой литографии. Как правило, электронно-лучевая литография используется только в исследовательских целях, когда требуется чрезвычайно высокое разрешение для минимального размера элемента (обычно порядка нанометров). Однако методы фотолитографии продвинулись до того, что стало возможным иметь минимальные размеры элементов порядка десятков нанометров, что позволяет изготавливать ректенны с помощью фотолитографии.[10]

Производство

После завершения проверки концепции были изготовлены кремниевые пластины лабораторного уровня с использованием стандартных методов изготовления полупроводниковых интегральных схем. Электронно-лучевая литография была использована для изготовления массивов металлических конструкций рамочных антенн. Оптическая антенна состоит из трех основных частей: плоскости заземления, оптической резонансной полости и антенны. Антенна поглощает электромагнитную волну, пластина заземления отражает свет обратно к антенне, а оптическая резонансная полость изгибается и концентрирует свет обратно к антенне через пластину заземления.[4] В эту работу не входило изготовление диода.

Метод литографии

Национальные лаборатории Айдахо использовали следующие шаги для изготовления своих оптических антенных решеток. Металлическая пластина заземления была нанесена на голую кремниевую пластину, а затем нанесен напылением слой аморфного кремния. Глубина осажденного слоя составляла около четверти длины волны. Тонкая пленка марганца и золотая частотно-избирательная поверхность (для фильтрации полезной частоты) были нанесены, чтобы действовать как антенна. Резист наносился и формировался с помощью электронно-лучевой литографии. Золотая пленка была выборочно протравлена, а резист удален.

Прокатное производство

При переходе к более крупным производственным масштабам этапы лабораторной обработки, такие как использование электронно-лучевая литография медленные и дорогие. Следовательно, рулонное производство Метод был разработан с использованием новой технологии изготовления по эталонному образцу. Этот эталонный рисунок механически штампует прецизионный рисунок на недорогой гибкой подложке и тем самым создает металлические петли, которые можно увидеть на этапах лабораторной обработки. Мастер-шаблон, изготовленный Национальными лабораториями Айдахо, состоит из примерно 10 миллиардов антенных элементов на 8-дюймовой круглой кремниевой пластине. Используя этот полуавтоматический процесс, Национальная лаборатория Айдахо произвела ряд 4-дюймовых квадратных купоны. Эти купоны были объединены в широкий гибкий лист антенных решеток. В эту работу не входило изготовление диодной компоненты.

Осаждение атомного слоя

Исследователи из Университета Коннектикута используют метод, называемый избирательным осаждением атомных слоев по площади, который позволяет производить их надежно и в промышленных масштабах.[11] Исследования продолжаются, чтобы настроить их на оптимальные частоты для видимого и инфракрасного света.

Экономика оптических антенн

Оптические антенны (сами по себе, без решающего диода и других компонентов) дешевле, чем фотоэлектрические (если не учитывать эффективность). В то время как материалы и обработка фотоэлектрических элементов дороги (в настоящее время стоимость комплектных фотоэлектрических модулей составляет порядка 430 доллар США / м2 в 2011 году и снижается.[12]), Стивен Новак оценивает текущую стоимость самого материала антенны примерно как 5 - 11 долл. / М2 в 2008.[13] По его оценкам, при правильных методах обработки и выборе различных материалов общая стоимость обработки, если ее правильно увеличить, будет не намного больше. Его прототип был 30 х 61 см из пластика, который содержал только 0,60 долларов США из золото в 2008 году с возможностью перехода на такой материал, как алюминий, медь, или же серебро.[14] В прототипе использовалась кремниевая подложка из-за знакомых технологий обработки, но теоретически можно использовать любую подложку, если материал заземляющей поверхности прилегает должным образом.

Будущие исследования и цели

В интервью Национальному общественному радио «Обсуждение нации» доктор Новак заявил, что однажды оптические ректенны можно будет использовать для питания автомобилей, зарядки сотовых телефонов и даже охлаждения домов. Новак утверждал, что последний из них будет работать, поглощая инфракрасное тепло, имеющееся в комнате, и производя электричество, которое можно использовать для дальнейшего охлаждения комнаты. (Другие ученые оспорили это, заявив, что это нарушит второй закон термодинамики.[15][16])

Улучшение диода - важная задача. Есть два сложных требования: скорость и нелинейность. Во-первых, диод должен иметь достаточную скорость, чтобы исправлять видимый свет. Во-вторых, если входящий свет не очень интенсивен, диод должен быть чрезвычайно нелинейным (прямой ток намного выше, чем обратный ток), чтобы избежать «утечки обратного смещения». Оценка сбора солнечной энергии показала, что для достижения высокой эффективности диоду потребуется (темновой) ток намного ниже 1 мкА при обратном смещении 1 В.[17] Эта оценка предполагала (оптимистично), что антенна была направленная антенная решетка указывающий прямо на солнце; Ректенна, которая собирает свет со всего неба, как это делает типичный кремниевый солнечный элемент, потребует, чтобы ток обратного смещения был еще ниже, на порядки величины. (Диоду одновременно требуется высокий ток прямого смещения, связанный с согласованием импеданса антенны.)

Существуют специальные диоды для высоких быстродействий (например, туннельные диоды металл-изолятор-металл, о которых говорилось выше), и есть специальные диоды для высокой нелинейности, но довольно сложно найти диод, который бы отличался одновременно в обоих отношениях.

Для повышения эффективности ректенны на основе углеродных нанотрубок:

  • Низкий рабочая функция: Большая разница работы выхода (WF) между MWCNT необходима для максимизации асимметрии диода, что снижает напряжение включения, необходимое для индукции фотоотклика. WF углеродных нанотрубок составляет 5 эВ, а WF верхнего слоя кальция составляет 2,9 эВ, что дает общую разность работы выхода MIM-диода 2,1 эВ.
  • Высокая прозрачность: в идеале верхние электродные слои должны быть прозрачными, чтобы свет попадал на антенны из MWCNT.
  • Низкое электрическое сопротивление: улучшение проводимости устройства увеличивает выходную выпрямленную мощность. Но есть и другие влияния сопротивления на производительность устройства. Идеальное согласование импеданса между антенной и диодом увеличивает выпрямленную мощность. Снижение сопротивления структуры также увеличивает частоту отсечки 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 может преобразовывать около 50% поглощения антенны в энергию.[13]Еще одно направление исследований будет заключаться в том, как правильно масштабировать процесс до массового производства. Необходимо будет выбрать и протестировать новые материалы, которые будут легко соответствовать производственному процессу с рулона на рулон. Будущие цели будут заключаться в попытках производить устройства на гибких подложках для создания гибких солнечных элементов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Моддел, Гаррет; Гровер, Сачит (2013). Гаррет Моддел; Сачит Гровер (ред.). Ректеннные солнечные элементы. ISBN 978-1-4614-3716-1.
  2. ^ Коркиш, R; М.А. Грин; Т. Пуззер (декабрь 2002 г.). «Сбор солнечной энергии антеннами». Солнечная энергия. 73 (6): 395–401. Bibcode:2002SoEn ... 73..395C. Дои:10.1016 / S0038-092X (03) 00033-1. ISSN 0038-092X.
  3. ^ http://www.mat.ucsb.edu/~g.legrady/academic/courses/13f254/lexicon.html
  4. ^ а б c d Дейл К. Коттер; Стивен Д. Новак; В. Деннис Слафер; Патрик Пинхеро (август 2008 г.). Солнечные нантенны электромагнитные коллекторы (PDF). 2-я Международная конференция по энергетической устойчивости. INL / CON-08-13925. Архивировано из оригинал (PDF) 11 августа 2016 г.. Получено 12 июн 2016.
  5. ^ а б c d е ж Берланд, Б. "Фотогальванические технологии за пределами горизонта: оптический ректеннный солнечный элемент". Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии. 13 апреля 2009 г. <http://www.nrel.gov/docs/fy03osti/33263.pdf>.
  6. ^ Heiblum, M .; Шихюань Ван; Whinnery, John R .; Густафсон, Т. (март 1978 г.). «Характеристики интегрированных МОМ переходов на постоянном токе и на оптических частотах». Журнал IEEE по квантовой электронике. 14 (3): 159–169. Bibcode:1978IJQE ... 14..159H. Дои:10.1109 / JQE.1978.1069765. ISSN 0018-9197.
  7. ^ «Патент США: 4445050 - Устройство для преобразования энергии света в электрическую».. uspto.gov.
  8. ^ а б Lin, Guang H .; Рейимджан Абду; Джон О'М. Бокрис (1996-07-01). «Исследование резонансного поглощения и выпрямления света субнаноструктурами». Журнал прикладной физики. 80 (1): 565–568. Bibcode:1996JAP .... 80..565л. Дои:10.1063/1.362762. ISSN 0021-8979. Архивировано из оригинал 23 февраля 2013 г.
  9. ^ а б Шарма, Аша; Сингх, Вирендра; Bougher, Thomas L .; Кола, Баратунде А. (2015). «Оптическая ректенна из углеродных нанотрубок». Природа Нанотехнологии. 10 (12): 1027–1032. Bibcode:2015НатНа..10.1027С. Дои:10.1038 / nnano.2015.220. PMID 26414198.
  10. ^ а б http://ids.nic.in/Tnl_Jces_May%202012/PDF1/pdf/6.Nanteena.pdf
  11. ^ «Запатентованный метод профессора Калифорнийского университета в США - ключ к новой технологии солнечной энергии». Университет Коннектикута. Получено 22 апреля 2013.
  12. ^ Обзор цен на фотоэлектрические модули Solarbuzz, май 2011 г. <http://solarbuzz.com/facts-and-figures/retail-price-environment/module-prices>
  13. ^ а б "Нано-нагрев"Разговор нации. Национальное общественное радио. 22 августа 2008 г. Стенограмма. Национальное общественное радио. 15 февраля 2009 г."
  14. ^ Грин, Хэнк. "Нано-антенны для солнечной энергии, освещения и контроля климата В архиве 2009-04-22 на Wayback Machine", Ecogeek. 7 февраля 2008 г. 15 февраля 2009 г. Интервью с доктором Новаком.
  15. ^ Моддел, Гаррет (2013). «Будут ли практичны ректенновые солнечные элементы?». В Гаррете Модделе; Сачит Гровер (ред.). Ректеннные солнечные элементы. Springer Нью-Йорк. С. 3–24. Дои:10.1007/978-1-4614-3716-1_1. ISBN 978-1-4614-3715-4. Цитата: «В литературе неоднократно обсуждалась возможность использования инфракрасных ректенн для сбора тепла, излучаемого земной поверхностью. Этого нельзя достичь с помощью солнечных элементов с температурой окружающей среды из-за второго закона термодинамики» (стр. 18)
  16. ^ С.Дж. Бирнс; Р. Бланшар; Ф. Капассо (2014). «Получение возобновляемой энергии из среднего инфракрасного излучения Земли» (PDF). PNAS. 111 (11): 3927–3932. Bibcode:2014ПНАС..111.3927Б. Дои:10.1073 / pnas.1402036111. ЧВК 3964088. PMID 24591604. Цитата: «... в литературе также периодически появлялись предложения об использовании ректенн или других устройств для сбора энергии из излучения LWIR (20-23). ​​Однако в этих анализах не учитывались тепловые флуктуации диода, как обсуждается ниже, и в ссылке 12, что приводит к абсурдному выводу, что устройство, работающее при комнатной температуре, может генерировать полезную мощность, собирая излучение окружающей среды от объектов комнатной температуры ».
  17. ^ Ректеннные солнечные элементы, изд. Моддел и Гровер, стр.10

внешняя ссылка