Nanoantena (nanantena) - un dispozitiv pentru transformarea energiei solare în curent electric , construit pe principiul unei antene de redresare , dar care funcționează nu în domeniul radio , ci în domeniul de lungimi de undă optice a radiației electromagnetice . Ideea de a folosi antene pentru a colecta energia solară a fost propusă pentru prima dată de Robert Bailey în 1972 [1] . De asemenea, această idee a fost propusă de Nikola Tesla în brevetul nr. 685.957 din 11/05/1901.
Este posibilă și o altă interpretare extinsă a acestui termen, conform căreia o nanoantenă ar trebui să fie înțeleasă ca o antenă miniaturală , ale cărei dimensiuni nu depășesc sute de microni, iar una dintre dimensiuni este de 100 de nanometri sau mai puțin. Un exemplu de acest tip de nanoantene sunt dipolii bazați pe nanotuburi, care asigură funcționarea cu semnale cu o frecvență de câteva sute de GHz. [2]
O nanoantenă este un colector de radiații electromagnetice, conceput pentru a absorbi energie de o anumită lungime de undă, proporțională cu dimensiunea nanoantenei. În prezent, Laboratorul Național din Idaho a dezvoltat nanoantene pentru a absorbi lungimi de undă în intervalul 3-15 µm, [3] care corespund energiilor fotonilor de 0,08-0,4 eV. Pe baza teoriei antenei, o nanoantenă poate absorbi eficient lumina de orice lungime de undă, cu condiția ca dimensiunea nanoantenei să fie optimizată pentru o anumită lungime de undă. În mod ideal, nanoantenele sunt cel mai bine folosite pentru a absorbi lumina la lungimi de undă de 0,4-1,6 microni, deoarece aceste unde au mai multă energie decât infraroșu (unde lungi) și reprezintă aproximativ 85% din spectrul radiației solare (vezi Fig. 1). [patru]
În 1973, Robert Bailey, împreună cu James Fletcher, au primit un brevet pentru un „convertor de unde electromagnetice”. [5] Dispozitivul brevetat era similar cu nanoantenele de astăzi. În 1984, Alvin Marks a primit un brevet pentru un dispozitiv care afirmă în mod explicit utilizarea antenelor submicronice pentru a converti direct energia solară în energie electrică. [6] Dispozitivul lui Marx a arătat îmbunătățiri semnificative în eficiență față de dispozitivul lui Bailey. [7] În 1996, Lin Guang X. a fost primul care a prezentat un raport privind absorbția rezonantă a luminii pe nanostructurile special pregătite și detectarea luminii cu o frecvență în domeniul vizibil. [7] În 2002, ITN Energy Systems a publicat un raport despre munca lor cu antene optice în combinație cu diode de înaltă frecvență. ITN și-a propus să construiască o serie de nanoantene eficiente. de ordinul câtorva procente. Deși nu au avut succes, problemele legate de construcția de nanoantene extrem de eficiente au găsit o mai bună înțelegere. [4] Cercetările privind nanoantene sunt în curs de desfășurare. [2]
Teoria din spatele nanoantenelor este în esență aceeași care descrie funcționarea antenelor de redresare ( rectenne ). Lumina incidentă pe antenă face ca electronii din antenă să oscileze înainte și înapoi la aceeași frecvență ca și lumina care vine. Acest lucru se datorează fluctuațiilor câmpului electric al undei electromagnetice de intrare. Mișcarea electronilor creează un curent alternativ în circuitul antenei. Pentru a converti curentul alternativ în curent continuu, trebuie să îl detectați, ceea ce se face de obicei folosind o diodă redresoare. După această conversie, curentul continuu poate fi utilizat pentru a alimenta o sarcină externă. Frecvența de rezonanță a unei antene (frecvența la care sistemul are cea mai mică impedanță și, prin urmare, cea mai mare eficiență) crește liniar cu dimensiunile fizice ale antenei în conformitate cu teoria simplă a antenelor cu microunde, [4] totuși efectele cuantice trebuie să fie luate în considerare în calculul acesteia. [2] Lungimile de undă ale spectrului solar se află în intervalul de aproximativ 0,3 până la 2,0 µm. [4] Astfel, pentru ca o antenă de redresare să fie un colector solar electromagnetic eficient, trebuie să aibă elemente de ordinul a sute de nanometri în dimensiune.
Datorită simplificărilor utilizate în teoria antenelor tipice redresoare, există câteva puncte dificile care apar atunci când discutăm despre nanoantene. La frecvențe deasupra regiunii infraroșii, aproape tot curentul este transportat lângă suprafața conductorului, ceea ce reduce aria secțiunii transversale efective a conductorului și duce la o creștere a rezistenței. Acest efect este cunoscut sub numele de „ efectul pielii ”.
O altă complicație a reducerii este că diodele utilizate în rectenele mari nu pot funcționa la frecvențe teraherți fără pierderi mari de putere. [3] Pierderea de putere se datorează capacității de joncțiune (cunoscută sub numele de capacitate parazită) pe care o au joncțiunile pn ale diodelor convenționale și Schottky , ceea ce înseamnă că pot funcționa eficient doar la frecvențe sub 5 THz. Lungimi de undă ideale de 0,4-1,6 μm corespund unor frecvențe de aproximativ 190-750 THz, ceea ce este mult mai mare decât capacitățile diodelor tradiționale. Astfel, trebuie utilizate diode alternative pentru conversia eficientă a puterii. Dispozitivele moderne de nanoantenă folosesc diode tunel bazate pe joncțiuni metal-izolant-metal (MIM). Spre deosebire de diodele Schottky, diodele MDM nu au capacități parazitare deoarece funcționează pe baza tunelului de electroni. Datorită acestui fapt, diodele MDM funcționează eficient la frecvențe de aproximativ 150 THz, ceea ce este mult mai aproape de frecvențele optime ale nanoantenelor. [patru]
Unul dintre cele mai importante avantaje declarate ale nanoantenelor este eficiența lor teoretică ridicată (COP). În comparație cu eficiența teoretică a celulelor solare, nanoantenele ar putea avea un avantaj semnificativ.
Cel mai evident avantaj al nanoantenelor față de celulele fotovoltaice semiconductoare este că este destul de ușor să proiectați rețele de nanoantene pentru frecvențe arbitrare de lumină. Prin simpla alegere a dimensiunii nanoantenei din matrice, frecvența sa de rezonanță poate fi reglată pentru a absorbi o anumită lungime de undă a luminii (scala frecvenței de rezonanță este aproximativ liniară cu dimensiunea antenei). Acesta este un mare avantaj față de celulele solare semiconductoare, deoarece în acestea, pentru a modifica lungimea de undă a luminii absorbite, este necesară modificarea benzii interzise a semiconductorului. Și pentru a schimba banda interzisă, semiconductorul trebuie dopat într-un mod special, sau trebuie folosit un alt semiconductor cu totul. [3]
După cum sa menționat mai devreme, una dintre principalele limitări ale nanoantenelor este frecvența la care funcționează. Frecvența înaltă a luminii în intervalul ideal de lungimi de undă face ca utilizarea diodelor Schottky tipice să nu fie practică. Deși diodele MDM au arătat un potențial promițător pentru utilizare în nanoantene, sunt necesare noi metode avansate pentru a asigura funcționarea eficientă la frecvențe înalte.
Un alt dezavantaj este că nanoantenele [8] actuale sunt produse folosind un fascicul de electroni (litografie cu fascicul de electroni). Acest proces este lent și destul de costisitor, deoarece procesarea paralelă în litografia cu fascicul de electroni nu este posibilă. De regulă, litografia cu fascicul de electroni este utilizată numai în scopuri de cercetare, când este necesară o rezoluție extrem de precisă pentru dimensiunea minimă a elementelor (de obicei de ordinul mai multor nanometri). Cu toate acestea, în prezent, metodele de fotolitografie au avansat atât de mult încât a devenit posibilă crearea unor dimensiuni minime ale elementelor de ordinul zecilor de nanometri, ceea ce face posibilă producerea de nanoantene folosind fotolitografie.
După demonstrarea conceptului, probele de siliciu de laborator au fost realizate folosind tehnici standard de fabricare a circuitelor integrate de semiconductor. Litografia cu fascicul de electroni a fost folosită pentru a fabrica structurile metalice ale rețelei de antene. Nanoantena constă din trei părți principale: planul de bază, rezonatorul optic și antena în sine. Antena absoarbe undele electromagnetice, planul de bază reflectă lumina spre antenă, iar rezonatorul optic deviază și concentrează lumina și spre antenă cu ajutorul planului de bază. [3] De asemenea, este posibil să se creeze nanoantene bazate pe nanotuburi. [2]
Laboratorul Național Idaho a folosit următorii pași pentru a-și fabrica rețelele de nanoantene. Un plan de bază metalic a fost plasat pe placheta de siliciu, pe care s-a pulverizat preliminar un strat de siliciu amorf. Grosimea stratului de siliciu depus a fost de aproximativ un sfert din lungimea de undă a luminii. O peliculă subțire de mangan a fost aplicată ca antenă în sine, împreună cu o suprafață de aur selectivă în funcție de frecvență (suprafața acționează ca un filtru al frecvenței dorite). După aceea, folosind litografie cu fascicul de electroni, un strat rezistiv a fost depus prin șablon. Filmul de aur a fost gravat selectiv, iar stratul rezistiv a fost apoi îndepărtat.
Pentru producția la scară largă, etapele de prelucrare în laborator, cum ar fi litografia cu fascicul de electroni, sunt prea lente și costisitoare. Prin urmare, a fost dezvoltată o metodă de producție roll-to-roll folosind o nouă tehnologie care utilizează un șablon principal. Acest șablon principal este folosit pentru a „tipări” mecanic un model precis pe un substrat ieftin și flexibil. Șablonul de referință este utilizat pentru a crea elementele metalice ale buclei care sunt vizibile în etapa de laborator. Șablonul de referință, realizat la Laboratorul Național Idaho, constă din aproximativ 10 miliarde de elemente de antenă pe o placă rotundă de siliciu de 8 inci. Cu acest proces semi-automat, Laboratorul Național Idaho a produs un număr mare de carduri pătrate de 4 inci. Aceste carduri au fost apoi combinate împreună pentru a forma o foaie mare flexibilă cu o serie de nanoantene.
Dovada principiului de funcționare a nanoantenei a început cu un produs pe un substrat de siliciu cu o suprafață de 1 cm 2 , pe care a fost aplicat prin imprimare un grătar de nanoantenă, umplând această zonă. Dispozitivul a fost testat folosind lumină infraroșie în intervalul de la 3 la 15 µm. Vârful de radiație a fost la o lungime de undă de 6,5 microni și a atins o eficiență termoionică de 1. Eficiența termoionică de 1 înseamnă că nanoantena absoarbe toți fotonii cu o anumită lungime de undă (6,5 microni în acest caz) care cad pe dispozitiv. [9] Comparând spectrele experimentale și simulate, vedem că rezultatele experimentale sunt în acord cu așteptările teoretice (Fig. 3). În unele zone, eficiența termoionică a nanoantenei a fost mai mică decât cea calculată teoretic, dar în alte zone și anume la o lungime de undă de aproximativ 3,5 microni, dispozitivul a absorbit lumină mai mult decât se aștepta.
După demonstrarea conceptului folosind un produs pe un substrat rigid de siliciu, experimentul a fost repetat pe o probă dintr-un substrat polimer flexibil. Lungimea de undă așteptată pentru substratul flexibil a fost setată la 10 microni. Testele inițiale au arătat că designul nanoantenei poate fi transferat pe un substrat polimeric, dar sunt necesare experimente suplimentare pentru a optimiza pe deplin performanța.
Nanoantenele sunt mai ieftine decât celulele solare. Materialele și procesarea celulelor solare sunt destul de scumpe (peste 1000 USD pe metru pătrat, folosind un substrat de siliciu). În ceea ce privește nanoantenele, Steven Novak a estimat costul actual al materialelor la cinci până la zece dolari pe metru pătrat. [10] Cu alegerea corectă a metodelor de prelucrare și a materialelor adecvate, el estimează că costul total al producției în masă va fi destul de scăzut. Prototipul său lung de un picior a fost realizat dintr-o foaie de plastic de două picioare care conținea aur în valoare de aproximativ 60 de cenți. Este posibil să se reducă chiar și acest cost, deoarece în producție pot fi utilizate și alte materiale: aluminiu, cupru sau argint. [11] Prototipul a folosit un substrat de siliciu obtinut prin metode de procesare cunoscute, dar teoretic pot fi folosite si alte substraturi, este necesar doar ca planul de referinta sa aiba orientarea corecta.
Într-un interviu acordat National Public Radio, dr. Novak a spus că nanoantenele ar putea fi folosite într-o zi pentru a alimenta mașini, a încărca telefoanele mobile și chiar a caselor cool. Referitor la acestea din urmă, Novak a spus că sistemele de răcire vor funcționa, în primul rând, ca absorbitori ai căldurii infraroșii disponibile în cameră, care va fi folosită pentru a genera energie electrică, iar această energie electrică poate fi folosită pentru răcirea în continuare a încăperii.
În prezent, cea mai mare problemă nu este cu antena, ci cu redresorul. După cum sa menționat mai sus, diodele moderne nu sunt capabile să detecteze eficient la frecvențe care corespund luminii infraroșii și vizibile. Astfel, este necesar să se creeze redresoare care ar putea transforma lumina absorbită într-o formă utilă de energie. În prezent, cercetătorii se așteaptă să creeze un redresor care poate converti aproximativ 50% din radiația absorbită de antenă în energie. [10] O problemă semnificativă este îmbunătățirea uniformității parametrilor diodelor și reducerea rezistenței la deschidere a acestora. Un alt domeniu de cercetare este dezvoltarea unui proces de producere a produselor de înaltă calitate pentru consumatorul de masă. Este necesar să se selecteze și să se testeze noi materiale care ar fi potrivite pentru tehnologia rolei.
O altă direcție în utilizarea nanoantenelor din intervalul de frecvență teraherți este implementarea rețelelor fără fir pe un cip (Wireless network-on-chip, WNOC), care va ocoli limitările rețelelor clasice în ceea ce privește asincronismul semnalului și problema lor. întârzieri, precum și să ofere comunicare între componentele microcircuitelor la scară nanometrică și nivelul macro. [12]