Una rectenna óptica es una rectenna ( antena rectificadora ) que funciona con luz visible o infrarroja. [1] Una rectenna es un circuito que contiene una antena y un diodo , que convierte las ondas electromagnéticas en electricidad de corriente continua . Si bien las rectenas 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.
Aunque las rectenas tradicionales (de radio y microondas) son básicamente similares a las rectenas ópticas, en la práctica es mucho más complicado fabricar una rectena óptica. Uno de los retos es que la luz tiene una frecuencia tan alta (cientos de terahercios para la luz visible) que solo unos pocos tipos de diodos especializados pueden conmutar lo suficientemente rápido como para rectificarla . Otro reto 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 proceso de fabricación nanotecnológico complicado . Un tercer reto es que, al ser muy pequeña, una antena óptica normalmente absorbe muy poca energía y, por lo tanto, tiende a producir un voltaje minúsculo 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 retos, las rectenas ópticas hasta ahora se han restringido a demostraciones de laboratorio, normalmente con una luz láser intensa y enfocada que produce una cantidad de energía minúscula pero medible.
Sin embargo, se espera que los conjuntos de rectenas 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 de rectenas ópticas, 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 nantena (nano-antena) se utiliza a veces para referirse a una rectenna óptica o a una antena óptica por 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 de 0,4 eV hasta 0,08 eV . Según la teoría de 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. Idealmente, las antenas se utilizarían para absorber luz en longitudes de onda 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] (ver 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 rectenas ópticas modernas. La patente analiza el uso de un diodo "del tipo descrito por [ Ali Javan ] en el IEEE Spectrum, octubre de 1971, página 91", es decir, un bigote de gato de metal de 100 nm de diámetro sobre 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 coautores demostraron que este tipo de dispositivos podían rectificar incluso la luz visible a corriente continua [7]. Alvin M. Marks recibió una patente en 1984 para un dispositivo que declara explícitamente el uso de antenas submicrónicas para la conversión directa de energía luminosa en 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 en antenas ópticas acopladas a diodos de alta frecuencia . ITN se propuso construir una matriz de rectenas ópticas con una eficiencia de un solo dígito. Aunque no tuvieron éxito, se comprendieron mejor los problemas asociados con la construcción de una rectena 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 rectena óptica que utiliza nanotubos de carbono. [10] Las matrices verticales de nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) cultivados en sustratos recubiertos de metal se recubrieron con óxido de aluminio aislante y se cubrieron por completo con una capa de electrodo de metal. 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 de tunelización metal-aislante-metal (MIM) . Debido al pequeño diámetro de las puntas de los MWCNT, esta combinación forma un diodo que es capaz de rectificar la radiación óptica de alta frecuencia. La eficiencia de conversión general lograda de este dispositivo es de alrededor de 10 −5 %. [10] No obstante, la investigación de la rectena óptica está en curso.
El principal inconveniente de estos dispositivos de rectenas de nanotubos de carbono es la falta de estabilidad en el aire. La estructura del dispositivo informada originalmente por Cola utilizaba calcio como electrodo superior semitransparente porque la baja función de trabajo del calcio (2,9 eV) en relación con los nanotubos de carbono de superficie móvil (~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 se tuvieron que realizar dentro de una caja de guantes en un entorno inerte para evitar la avería del dispositivo. Esto limitó la aplicación práctica de los dispositivos.
Posteriormente, Cola y su equipo solucionaron los problemas de inestabilidad del dispositivo modificando la estructura del diodo con múltiples capas de óxido. En 2018, informaron sobre la primera rectenna óptica estable al aire junto con mejoras en la eficiencia.
La estabilidad en el aire de esta nueva generación de rectenas se logró mediante la adaptación de la barrera de tunelización cuántica del diodo. En lugar de un solo aislante dieléctrico, demostraron que el uso de múltiples capas de óxido diferentes mejora el rendimiento del diodo modificando la barrera de tunelización del diodo. Al usar óxidos con diferentes afinidades electrónicas, la tunelización de electrones se puede diseñar para producir una respuesta asimétrica del diodo independientemente de la función de trabajo de los dos electrodos. Al usar capas de Al2O3 y HfO2 , se construyó un diodo de doble aislante ( metal-aislante-aislante-metal ( MIIM )) que mejoró la respuesta asimétrica del diodo más de 10 veces sin la necesidad de calcio con baja función de trabajo, y el metal superior se reemplazó posteriormente con plata estable al aire.
Los esfuerzos futuros se centrarán en mejorar la eficiencia del dispositivo mediante la investigación de materiales alternativos, la manipulación de 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 rectenas ópticas es esencialmente la misma que para las antenas tradicionales (de radio o microondas) . La luz incidente en la antena hace que los electrones en la antena se muevan de un lado a otro a la misma frecuencia que la luz entrante. Esto es causado por el campo eléctrico oscilante de la onda electromagnética entrante. El movimiento de los electrones es una corriente alterna (CA) en el circuito de la antena. Para convertirla en corriente continua (CC), la CA debe rectificarse, lo que normalmente 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) escala linealmente con las dimensiones físicas de la antena de acuerdo con la teoría simple de la antena de microondas. [6] Las longitudes de onda en el espectro solar varían aproximadamente de 0,3 a 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 de antenas rectificadoras típicas, surgen varias complicaciones cuando se analizan las rectenas ópticas. A frecuencias superiores a la infrarroja, casi toda la corriente se transporta cerca de la superficie del cable, lo que reduce el área de sección transversal efectiva del cable y provoca un aumento de la resistencia. Este efecto también se conoce como " efecto pelicular ". Desde una perspectiva puramente de dispositivo, las características IV parecerían 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 rectenas de mayor escala no pueden operar 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 de manera efectiva a frecuencias menores 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, se deben utilizar diodos alternativos para una conversión de energía eficiente. En los dispositivos de rectenas ópticas actuales, se utilizan diodos de tunelización metal-aislante-metal (MIM) . A diferencia de los diodos Schottky, los diodos MIM no se ven afectados por las capacitancias parásitas porque funcionan sobre la base de la tunelización de electrones . Debido a esto, se ha demostrado que los diodos MIM operan de manera efectiva a frecuencias de alrededor de 150 THz . [6]
Una de las mayores ventajas que se atribuyen a las rectenas ópticas es su alta eficiencia teórica. En comparación con la eficiencia teórica de las células solares de unión simple (30%), las rectenas ópticas parecen tener una ventaja significativa. Sin embargo, las dos eficiencias se calculan utilizando diferentes supuestos. Los supuestos involucrados en el cálculo de la rectena 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 rectenas 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 rectenas a las células solares de unión simple, la eficiencia teórica de las células solares de unión simple también es mayor que el 85%.
La ventaja más evidente que tienen las rectenas ópticas sobre la fotovoltaica de semiconductores es que los conjuntos de rectenas pueden diseñarse para absorber cualquier frecuencia de luz. La frecuencia de resonancia de una antena óptica puede seleccionarse variando su longitud. Esto es una ventaja sobre la fotovoltaica de semiconductores, porque para absorber diferentes longitudes de onda de luz, se necesitan diferentes intervalos de banda. Para variar el intervalo de banda, el semiconductor debe estar aleado o debe utilizarse un semiconductor diferente. [5]
Como se ha indicado anteriormente, una de las principales limitaciones de las rectenas 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 los diodos Schottky típicos sea poco práctico. Aunque los diodos MIM muestran características prometedoras para su uso en rectenas ópticas, se necesitan más avances para operar de manera eficiente a frecuencias más altas. [11]
Otra desventaja es que las rectenas ópticas actuales se producen utilizando litografía por haz de electrones ( e-beam ). Este proceso es lento y relativamente caro porque el procesamiento en paralelo no es posible con la litografía por haz de electrones. Normalmente, la litografía por haz de electrones se utiliza solo para 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 característica del orden de decenas de nanómetros, lo que hace posible producir rectenas por medio de fotolitografía. [11]
Una vez finalizada 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 la litografía de haz de electrones para fabricar los conjuntos de estructuras metálicas de antena de bucle. 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 de vuelta hacia la antena y la cavidad de resonancia óptica dobla y concentra la luz de vuelta hacia la antena a través del plano de tierra. [5] Este trabajo no incluyó la producción del diodo.
Los Laboratorios Nacionales de Idaho utilizaron los siguientes pasos para fabricar sus conjuntos de antenas ópticas. Se depositó un plano de tierra metálico sobre una oblea de silicio desnudo, seguido de una capa de silicio amorfo depositada por 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. Se aplicó una resina y se modeló mediante litografía por haz de electrones. La película de oro se grabó selectivamente y se eliminó la resina.
Al avanzar hacia una mayor escala de producción, los pasos de procesamiento de laboratorio, como el uso de la litografía por haz de electrones, son lentos y costosos. Por lo tanto, se ideó un método de fabricación de 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, de ese modo, crea los elementos de bucle metálicos 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. Mediante este proceso semiautomatizado, Idaho National Labs ha producido una serie de cupones cuadrados de 4 pulgadas. Estos cupones se combinaron para formar una amplia lámina flexible de conjuntos de antenas. Este trabajo no incluyó la producción del componente de diodo.
Los investigadores de la Universidad de Connecticut están utilizando una técnica llamada deposición selectiva de capas atómicas en áreas que permite producirlas de forma fiable y a escala industrial. [12] Se están realizando investigaciones para ajustarlas a las frecuencias óptimas para la luz visible e infrarroja.
Las antenas ópticas (por sí mismas, omitiendo el diodo crucial y otros componentes) son más baratas que la fotovoltaica (si se ignora la eficiencia). Si bien los materiales y el procesamiento de la fotovoltaica son caros (actualmente el costo de los módulos fotovoltaicos completos es del orden de 430 USD / m 2 en 2011 y está disminuyendo. [13] ), Steven Novack estima que el costo actual del material de la antena en sí es de alrededor de 5 - 11 USD / m 2 en 2008. [14] Con las técnicas de procesamiento adecuadas y la selección de diferentes materiales, estima que el costo total del procesamiento, una vez que se aumente adecuadamente, no costará mucho más. Su prototipo era un plástico de 30 x 61 cm , que contenía solo 0,60 USD de oro en 2008, con la posibilidad de degradarlo a un material como aluminio , cobre o plata . [15] El prototipo utilizó un sustrato de silicio debido a las técnicas de procesamiento habituales, pero en teoría se podría utilizar cualquier sustrato siempre que el material del plano de tierra se adhiera correctamente.
En una entrevista en el programa Talk of the Nation de la National Public Radio, el Dr. Novack afirmó que las rectenas ópticas podrían algún día utilizarse para alimentar automóviles, cargar teléfonos celulares e incluso enfriar hogares. Novack afirmó que estas últimas funcionarán 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. Segundo, a menos que la luz entrante sea extremadamente intensa, el diodo necesita ser extremadamente no lineal (corriente directa mucho más alta que la corriente inversa), para evitar "fugas de polarización inversa". Una evaluación para la recolección de energía solar descubrió que, para obtener una alta eficiencia, el diodo necesitaría una corriente (oscura) mucho menor que 1 μA a 1 V de polarización inversa. [18] Esta evaluación supuso (de manera optimista) que la antena era un conjunto de antenas direccionales que apuntaban directamente al sol; una rectenna que recolecta luz de todo el cielo, como lo hace una célula solar de silicio típica, necesitaría que la corriente de polarización inversa fuera aún más baja, por órdenes de magnitud. (El diodo necesita simultáneamente una corriente de polarización directa alta, relacionada con la adaptación de impedancia a la antena).
Hay diodos especiales para alta velocidad (por ejemplo, los diodos túnel metal-aislante-metal discutidos anteriormente) y hay diodos especiales para alta no linealidad, pero es bastante difícil encontrar un diodo que sea sobresaliente en ambos aspectos a la vez.
Para mejorar la eficiencia de la rectena basada en nanotubos de carbono:
Los investigadores esperan crear un rectificador que pueda convertir alrededor del 50% de la absorción de la antena en energía. [14] Otro objetivo de la investigación será cómo ampliar adecuadamente el proceso para la producción en masa. Será necesario elegir y probar nuevos materiales que cumplan fácilmente con un proceso de fabricación de rollo a rollo. Los objetivos futuros serán intentar fabricar dispositivos sobre sustratos maleables para crear células solares flexibles.
