Una rectenna óptica es una rectenna ( rectenna tenna ) que funciona con luz visible o infrarroja . [1] Una reccena es un circuito que contiene una antena y un diodo , que convierte las ondas electromagnéticas en electricidad de corriente continua . Si bien las rectennas se han utilizado durante mucho tiempo para ondas de radio o microondas , una rectenna óptica funcionaría de la misma manera pero con luz infrarroja o visible, convirtiéndola en electricidad.
Si bien las rectennas tradicionales (de radio y microondas) son fundamentalmente similares a las rectennas ópticas, en la práctica es mucho más difícil fabricar una rectenna óptica. Un desafío es que la luz tiene una frecuencia tan alta (cientos de terahercios para la luz visible) que sólo unos pocos tipos de diodos especializados pueden cambiar con la suficiente rapidez para rectificarla . Otro desafío es que las antenas tienden a tener un tamaño similar a una longitud de onda, por lo que una antena óptica muy pequeña requiere un desafiante proceso de fabricación con nanotecnología . Un tercer desafío es que, al ser muy pequeña, una antena óptica generalmente absorbe muy poca energía y, por lo tanto, tiende a producir un voltaje pequeño en el diodo, lo que conduce a una baja no linealidad del diodo y, por lo tanto, a una baja eficiencia. Debido a estos y otros desafíos, las rectennas ópticas se han limitado hasta ahora a demostraciones de laboratorio, generalmente con luz láser intensa y enfocada que produce una cantidad pequeña pero mensurable de energía.
Sin embargo, se espera que los conjuntos de recenas ópticas puedan llegar a ser un medio eficiente para convertir la luz solar en energía eléctrica, produciendo energía solar de manera más eficiente que las células solares convencionales . La idea fue propuesta por primera vez por Robert L. Bailey en 1972. [2] A partir de 2012, solo se han construido unos pocos dispositivos ópticos de recena, lo que demuestra únicamente que la conversión de energía es posible. [3] Se desconoce si alguna vez serán tan rentables o eficientes como las células fotovoltaicas convencionales .
El término nantenna (nanoantena) se utiliza a veces para referirse a una rectenna óptica o a una antena óptica en sí misma. [4] En 2008 se informó que los Laboratorios Nacionales de Idaho diseñaron una antena óptica para absorber longitudes de onda en el rango de 3 a 15 μm. [5] Estas longitudes de onda corresponden a energías de fotones desde 0,4 eV hasta 0,08 eV . Según la teoría de las antenas, una antena óptica puede absorber cualquier longitud de onda de luz de manera eficiente siempre que el tamaño de la antena esté optimizado para esa longitud de onda específica. Lo ideal sería utilizar antenas para absorber luz en longitudes de onda de entre 0,4 y 1,6 μm porque estas longitudes de onda tienen mayor energía que el infrarrojo lejano (longitudes de onda más largas) y constituyen aproximadamente el 85% del espectro de radiación solar [6] (consulte la Figura 1).
Robert Bailey, junto con James C. Fletcher, recibió una patente ( US 3760257 ) en 1973 para un "convertidor de energía de ondas electromagnéticas". El dispositivo patentado era similar a las recenas ópticas modernas. La patente analiza el uso de un diodo "tipo descrito por [ Ali Javan ] en IEEE Spectrum, octubre de 1971, página 91", es decir, un bigote de gato metálico de 100 nm de diámetro en una superficie metálica cubierta con una fina capa de óxido. . Se informó que Javan había rectificado luz infrarroja de 58 THz. En 1974, T. Gustafson y sus coautores demostraron que este tipo de dispositivos podían rectificar incluso la luz visible en corriente continua. [7] Alvin M. Marks recibió una patente en 1984 para un dispositivo que establecía explícitamente el uso de antenas submicrónicas para la conversión directa. de energía lumínica a energía eléctrica. [8] El dispositivo de Marks mostró mejoras sustanciales en eficiencia con respecto al dispositivo de Bailey. [9] En 1996, Guang H. Lin informó sobre la absorción de luz resonante por una nanoestructura fabricada y la rectificación de la luz con frecuencias en el rango visible. [9] En 2002, ITN Energy Systems, Inc. publicó un informe sobre su trabajo con antenas ópticas acopladas a diodos de alta frecuencia . ITN se propuso construir un conjunto de recenas ópticas con una eficiencia de un solo dígito. Aunque no tuvieron éxito, se comprendieron mejor los problemas asociados con la construcción de una rectina óptica de alta eficiencia. [6]
En 2015, el equipo de investigación de Baratunde A. Cola en el Instituto de Tecnología de Georgia desarrolló un colector de energía solar que puede convertir la luz óptica en corriente continua, una rectina óptica que utiliza nanotubos de carbono. [10] Se recubrieron matrices verticales de nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) cultivados sobre sustratos recubiertos de metal con óxido de aluminio aislante y se taparon por completo con una capa de electrodo metálico. Las pequeñas dimensiones de los nanotubos actúan como antenas, capaces de capturar longitudes de onda ópticas. El MWCNT también funciona como una capa de un diodo túnel metal-aislante-metal (MIM) . Debido al pequeño diámetro de las puntas MWCNT, esta combinación forma un diodo capaz de rectificar la radiación óptica de alta frecuencia. La eficiencia de conversión global alcanzada por este dispositivo es de alrededor del 10-5 % . [10] No obstante, la investigación sobre la rectina óptica está en curso.
El principal inconveniente de estos dispositivos rectenna de nanotubos de carbono es la falta de estabilidad del aire. La estructura del dispositivo reportada originalmente por Cola usaba calcio como electrodo superior semitransparente porque la baja función de trabajo del calcio (2,9 eV) en relación con los MWCNT (~5 eV) crea la asimetría del diodo necesaria para la rectificación óptica. Sin embargo, el calcio metálico es muy inestable en el aire y se oxida rápidamente. Las mediciones tuvieron que realizarse dentro de una caja de guantes en un entorno inerte para evitar averías del dispositivo. Esta aplicación práctica limitada de los dispositivos.
Posteriormente, Cola y su equipo resolvieron los desafíos relacionados con la inestabilidad del dispositivo modificando la estructura del diodo con múltiples capas de óxido. En 2018, informaron sobre la primera rectina óptica estable al aire junto con mejoras de eficiencia.
La estabilidad en el aire de esta nueva generación de reccena se logró adaptando la barrera de túnel cuántico del diodo. En lugar de un único aislante dieléctrico, demostraron que el uso de múltiples capas de óxido diferentes mejora el rendimiento del diodo al modificar la barrera de tunelización del diodo. Al utilizar óxidos con diferentes afinidades electrónicas, se puede diseñar el túnel de electrones para producir una respuesta de diodo asimétrica independientemente de la función de trabajo de los dos electrodos. Mediante el uso de capas de Al 2 O 3 y HfO 2 , se construyó un diodo de doble aislamiento ( metal-aislante-aislante-metal (MIIM)) que mejoró la respuesta asimétrica del diodo más de 10 veces sin la necesidad de calcio con función de trabajo baja. , y posteriormente el metal superior fue reemplazado por plata estable al aire.
Los esfuerzos futuros se centrarán en mejorar la eficiencia del dispositivo investigando materiales alternativos, manipulando los MWCNT y las capas aislantes para fomentar la conducción en la interfaz y reducir las resistencias dentro de la estructura.
La teoría detrás de las rectennas ópticas es esencialmente la misma que la de las rectennas tradicionales (de radio o microondas) . La luz incidente en la antena hace que los electrones de la antena se muevan hacia adelante y hacia atrás a la misma frecuencia que la luz entrante. Esto es causado por el campo eléctrico oscilante de la onda electromagnética entrante. El movimiento de electrones es una corriente alterna (CA) en el circuito de la antena. Para convertir esto en corriente continua (CC), se debe rectificar la CA , lo que generalmente se hace con un diodo . La corriente CC resultante se puede utilizar para alimentar una carga externa. La frecuencia de resonancia de las antenas (frecuencia que da como resultado la impedancia más baja y, por lo tanto, la eficiencia más alta) aumenta linealmente con las dimensiones físicas de la antena según la teoría simple de las antenas de microondas. [6] Las longitudes de onda en el espectro solar oscilan entre aproximadamente 0,3 y 2,0 μm. [6] Por lo tanto, para que una antena rectificadora sea un colector electromagnético eficiente en el espectro solar, debe tener un tamaño del orden de cientos de nm.
Debido a las simplificaciones utilizadas en la teoría típica de antenas rectificadoras, surgen varias complicaciones cuando se habla de rectennas ópticas. En frecuencias superiores al infrarrojo, casi toda la corriente se transporta cerca de la superficie del cable, lo que reduce el área de la sección transversal efectiva del cable, lo que lleva a un aumento de la resistencia. Este efecto también se conoce como " efecto piel ". Desde una perspectiva puramente de dispositivo, las características IV parecerían ya no ser óhmicas, aunque la ley de Ohm, en su forma vectorial generalizada, sigue siendo válida.
Otra complicación de la reducción de escala es que los diodos utilizados en rectennas de mayor escala no pueden funcionar a frecuencias de THz sin una gran pérdida de potencia. [5] La gran pérdida de potencia es el resultado de la capacitancia de unión (también conocida como capacitancia parásita) que se encuentra en los diodos de unión pn y los diodos Schottky, que solo pueden operar eficazmente a frecuencias inferiores a 5 THz. [6] Las longitudes de onda ideales de 0,4 a 1,6 μm corresponden a frecuencias de aproximadamente 190 a 750 THz, que es mucho mayor que las capacidades de los diodos típicos. Por lo tanto, es necesario utilizar diodos alternativos para una conversión de energía eficiente. En los dispositivos ópticos de rectina actuales, se utilizan diodos túneles de metal-aislante-metal (MIM) . A diferencia de los diodos Schottky, los diodos MIM no se ven afectados por capacitancias parásitas porque funcionan según la tunelización de electrones . Debido a esto, se ha demostrado que los diodos MIM funcionan eficazmente a frecuencias de alrededor de 150 THz . [6]
Una de las mayores ventajas reivindicadas de las recenas ópticas es su alta eficiencia teórica. En comparación con la eficiencia teórica de las células solares de unión simple (30%), las recentes ópticas parecen tener una ventaja significativa. Sin embargo, las dos eficiencias se calculan utilizando supuestos diferentes. Los supuestos involucrados en el cálculo de la recena se basan en la aplicación de la eficiencia de Carnot de los colectores solares. La eficiencia de Carnot , η, viene dada por
donde T frío es la temperatura del cuerpo más frío y T caliente es la temperatura del cuerpo más caliente. Para que haya una conversión de energía eficiente, la diferencia de temperatura entre los dos cuerpos debe ser significativa. RL Bailey afirma que las rectennas no están limitadas por la eficiencia de Carnot, mientras que la energía fotovoltaica sí lo está. Sin embargo, no proporciona ningún argumento para esta afirmación. Además, cuando se aplican los mismos supuestos utilizados para obtener la eficiencia teórica del 85 % para las rectennas a las células solares de unión simple, la eficiencia teórica de las células solares de unión simple también es superior al 85 %.
La ventaja más evidente que tienen las rectennas ópticas sobre las fotovoltaicas semiconductoras es que los conjuntos de rectennas pueden diseñarse para absorber cualquier frecuencia de luz. La frecuencia de resonancia de una antena óptica se puede seleccionar variando su longitud. Esta es una ventaja sobre los semiconductores fotovoltaicos, porque para absorber diferentes longitudes de onda de luz, se necesitan diferentes bandas prohibidas. Para variar la banda prohibida, el semiconductor debe estar aleado o debe usarse un semiconductor completamente diferente. [5]
Como se indicó anteriormente, una de las principales limitaciones de las rectennas ópticas es la frecuencia a la que operan. La alta frecuencia de la luz en el rango ideal de longitudes de onda hace que el uso de diodos Schottky típicos no sea práctico. Aunque los diodos MIM muestran características prometedoras para su uso en recenas ópticas, se necesitan más avances para operar de manera eficiente a frecuencias más altas. [11]
Otra desventaja es que las recentes ópticas actuales se producen mediante litografía por haz de electrones ( e-beam ). Este proceso es lento y relativamente costoso porque el procesamiento paralelo no es posible con la litografía por haz de electrones. Normalmente, la litografía por haz de electrones se utiliza sólo con fines de investigación cuando se necesitan resoluciones extremadamente finas para un tamaño mínimo de característica (normalmente, del orden de nanómetros). Sin embargo, las técnicas fotolitográficas han avanzado hasta el punto de que es posible tener tamaños mínimos de características del orden de decenas de nanómetros, lo que permite producir recenas mediante fotolitografía. [11]
Una vez completada la prueba de concepto, se fabricaron obleas de silicio a escala de laboratorio utilizando técnicas estándar de fabricación de circuitos integrados de semiconductores. Se utilizó litografía de haz de electrones para fabricar los conjuntos de estructuras metálicas de antenas de cuadro. La antena óptica consta de tres partes principales: el plano de tierra, la cavidad de resonancia óptica y la antena. La antena absorbe la onda electromagnética, el plano de tierra actúa para reflejar la luz hacia la antena y la cavidad de resonancia óptica dobla y concentra la luz hacia la antena a través del plano de tierra. [5] Este trabajo no incluyó la producción del diodo.
Idaho National Labs utilizó los siguientes pasos para fabricar sus conjuntos de antenas ópticas. Se depositó un plano de tierra metálico sobre una oblea de silicio desnuda, seguido de una capa de silicio amorfo depositada mediante pulverización catódica. La profundidad de la capa depositada era de aproximadamente un cuarto de longitud de onda. Se depositó una fina película de manganeso junto con una superficie selectiva de frecuencia de oro (para filtrar la frecuencia deseada) para que actuara como antena. La resistencia se aplicó y modeló mediante litografía por haz de electrones. La película de oro se grabó selectivamente y se eliminó la capa protectora.
Al avanzar hacia una escala de producción mayor, los pasos de procesamiento en laboratorio, como el uso de litografía por haz de electrones, son lentos y costosos. Por lo tanto, se ideó un método de fabricación rollo a rollo utilizando una nueva técnica de fabricación basada en un patrón maestro. Este patrón maestro estampa mecánicamente el patrón de precisión sobre un sustrato flexible económico y crea así los elementos de bucle metálico que se ven en los pasos de procesamiento de laboratorio. La plantilla maestra fabricada por Idaho National Laboratories consta de aproximadamente 10 mil millones de elementos de antena en una oblea de silicio redonda de 8 pulgadas. Utilizando este proceso semiautomático, Idaho National Labs ha producido varios cupones cuadrados de 4 pulgadas. Estos cupones se combinaron para formar una hoja amplia y flexible de conjuntos de antenas. Este trabajo no incluyó la producción del componente de diodo.
Investigadores de la Universidad de Connecticut están utilizando una técnica llamada deposición selectiva de capas atómicas de área que es capaz de producirlas de forma fiable y a escala industrial. [12] Se están realizando investigaciones para sintonizarlos a las frecuencias óptimas para la luz visible e infrarroja.
Las antenas ópticas (por sí solas, omitiendo el diodo crucial y otros componentes) son más baratas que las fotovoltaicas (si se ignora la eficiencia). Mientras que los materiales y el procesamiento de la energía fotovoltaica son caros (actualmente el coste de los módulos fotovoltaicos completos es del orden de 430 USD /m 2 en 2011 y está disminuyendo [13] ), Steven Novack estima que el coste actual del material de la antena en sí es de alrededor de 5 - 11 USD/m 2 en 2008. [14] Con técnicas de procesamiento adecuadas y una selección diferente de materiales, estima que el costo total del procesamiento, una vez ampliado adecuadamente, no costará mucho más. Su prototipo era un modelo de plástico de 30 x 61 cm , que en 2008 contenía sólo 0,60 dólares de oro , con posibilidad de degradarse a un material como aluminio , cobre o plata . [15] El prototipo utilizó un sustrato de silicio debido a técnicas de procesamiento familiares, pero en teoría se podría usar cualquier sustrato siempre que el material del plano de tierra se adhiera correctamente.
En una entrevista en Talk of the Nation de la Radio Pública Nacional, el Dr. Novack afirmó que algún día las rectennas ópticas podrían usarse para alimentar automóviles, cargar teléfonos celulares e incluso enfriar hogares. Novack afirmó que el último de ellos funcionará absorbiendo el calor infrarrojo disponible en la habitación y produciendo electricidad que podría usarse para enfriar aún más la habitación. (Otros científicos han cuestionado esto, diciendo que violaría la segunda ley de la termodinámica . [16] [17] )
Mejorar el diodo es un desafío importante. Hay dos requisitos desafiantes: velocidad y no linealidad. Primero, el diodo debe tener suficiente velocidad para rectificar la luz visible. En segundo lugar, a menos que la luz entrante sea extremadamente intensa, el diodo debe ser extremadamente no lineal (corriente directa mucho mayor que la corriente inversa), para evitar "fugas de polarización inversa". Una evaluación de la recolección de energía solar encontró que, para obtener una alta eficiencia, el diodo necesitaría una corriente (oscura) mucho menor que 1 μA con polarización inversa de 1 V. [18] Esta evaluación asumió (con optimismo) que la antena era un conjunto de antenas direccionales que apuntaban directamente al sol; una rectina que recoja la luz de todo el cielo, como lo hace una típica célula solar de silicio, necesitaría que la corriente de polarización inversa fuera aún menor, en órdenes de magnitud. (El diodo necesita simultáneamente una alta corriente de polarización directa, relacionada con la adaptación de impedancia a la antena).
Hay diodos especiales para alta velocidad (por ejemplo, los diodos de túnel de metal-aislante-metal discutidos anteriormente) y hay diodos especiales para alta no linealidad, pero es bastante difícil encontrar un diodo que destaque en ambos aspectos a la vez.
Para mejorar la eficiencia de la reccena basada en nanotubos de carbono:
Actualmente, los investigadores esperan crear un rectificador que pueda convertir alrededor del 50% de la absorción de la antena en energía. [14] Otro foco de investigación será cómo ampliar adecuadamente el proceso a la producción en el mercado masivo. Será necesario elegir y probar nuevos materiales que cumplan fácilmente con un proceso de fabricación rollo a rollo. Los objetivos futuros serán intentar fabricar dispositivos sobre sustratos flexibles para crear células solares flexibles.
