Forskning øger effektiviteten og stabiliteten af ​​optiske rektenner

Forskerholdet, der annoncerede den første optiske rectenna i 2015, rapporterer nu om en dobbelt effektivitetsforbedring i enhederne - og et skift til luftstabile diodematerialer. Forbedringerne kunne gøre det muligt for rektennerne - som konverterer elektromagnetiske felter ved optiske frekvenser direkte til elektrisk strøm - at betjene enheder med lav effekt såsom temperatursensorer.

Ultimativt, forskerne mener, at deres enhedsdesign - en kombination af en kulstofnanorørsantenne og en diodeensretter - kan konkurrere med konventionelle solcelleteknologier om at producere elektricitet fra sollys og andre kilder. Den samme teknologi, der blev brugt i rektennerne, kunne også direkte omdanne termisk energi til elektricitet.

"Dette arbejde tager et betydeligt spring fremad i både grundlæggende forståelse og praktisk effektivitet for den optiske rectenna-enhed, " sagde Baratunde Cola, en lektor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Det åbner op for denne teknologi for mange flere forskere, der kan gå sammen med os for at fremme den optiske rectenna-teknologi for at hjælpe med at drive en række applikationer, inklusive rumflyvning."

Forskningen er rapporteret 26. januar i tidsskriftet Avancerede elektroniske materialer . Arbejdet er blevet støttet af U.S. Army Research Office under Young Investigator Program, og af National Science Foundation.

Optiske rektenner fungerer ved at koble lysets elektromagnetiske felt til en antenne, i dette tilfælde en række flervæggede kulstof nanorør, hvis ender er blevet åbnet. Det elektromagnetiske felt skaber en oscillation i antennen, producerer en vekslende strøm af elektroner. Når elektronstrømmen når en top i den ene ende af antennen, dioden lukker, fanger elektronerne, åbner derefter igen for at fange den næste oscillation, skabe et strømflow.

Skiftet skal ske ved terahertz-frekvenser for at matche lyset. Forbindelsen mellem antennen og dioden skal give minimal modstand mod elektroner, der strømmer gennem den, mens den er åben, alligevel forhindre lækage, mens den er lukket.

"Spillets navn er at maksimere antallet af elektroner, der bliver ophidset i kulstofnanorøret, og så have en kontakt, der er hurtig nok til at fange dem på deres højeste, " Cola forklarede. "Jo hurtigere du skifter, jo flere elektroner kan du fange på den ene side af oscillationen."

For at give en lav arbejdsfunktion - let elektronstrøm - brugte forskerne oprindeligt calcium som metal i deres oxidisolator - metaldiodeforbindelse. Men calcium nedbrydes hurtigt i luften, hvilket betyder, at enheden skulle indkapsles under drift - og fremstilles i et handskerum. Det gjorde den optiske rektenna både upraktisk til de fleste applikationer og svær at fremstille.

Så Cola, NSF Graduate Research Fellow Erik Anderson og forskningsingeniør Thomas Bougher erstattede calcium med aluminium og prøvede en række forskellige oxidmaterialer på kulstofnanorørene, før de slog sig ned på et dobbeltlagsmateriale bestående af aluminiumoxid (Al2O3) og hafniumdioxid (HfO2). Kombinationsbelægningen til kulstofnanorørforbindelsen, skabt gennem en atomare aflejringsproces, giver de kvantemekaniske elektrontunnelegenskaber, der kræves ved at konstruere de elektroniske oxidegenskaber i stedet for metallerne, som gør det muligt at bruge luftstabile metaller med højere arbejdsfunktioner end calcium.

Rectennaer fremstillet med den nye kombination har forblevet funktionelle i så længe som et år. Andre metaloxider kunne også anvendes, sagde Cola.

Forskerne konstruerede også hældningen af ​​bakken, ned ad hvilken elektronerne falder i tunnelprocessen. Det var også med til at øge effektiviteten, og tillader brugen af ​​en række forskellige oxidmaterialer. Det nye design øgede også diodernes asymmetri, hvilket øgede effektiviteten.

"Ved at arbejde med oxidelektronaffiniteten, vi var i stand til at øge asymmetrien med mere end ti gange, gør dette diodedesign mere attraktivt, " sagde Cola. "Det var virkelig her, vi fik effektivitetsgevinsten i denne nye version af enheden."

Optiske rektenner kunne teoretisk konkurrere med fotovoltaiske materialer for at omdanne sollys til elektricitet. PV-materialer fungerer efter et andet princip, hvor fotoner banker elektroner fra atomerne i visse materialer. Elektronerne opsamles til elektrisk strøm.

I september 2015 i tidsskriftet Nature Nanotechnology, Cola og Bougher rapporterede om den første optiske rektenna - en enhed, der var blevet foreslået teoretisk i mere end 40 år, men aldrig demonstreret.

Den tidlige version rapporteret i tidsskriftet producerede strøm på mikrovoltniveauer. Rectennaen producerer nu strøm i millivoltområdet og konverteringseffektiviteten er gået fra 10 (-5) til 10 (-3) - stadig meget lav, men en betydelig gevinst.

"Selvom der stadig er plads til væsentlige forbedringer, dette sætter spændingen i det område, hvor du kan se optiske rektenner, der betjener laveffektsensorer, " sagde Cola. "Der er mange trin i enhedsgeometri, du kan tage for at gøre noget nyttigt med den optiske rektenna i dag i spændingsdrevne enheder, der ikke kræver væsentlig strøm."

Cola mener, at rektennaerne kan være nyttige til at drive internet of things-enheder, især hvis de kan bruges til at producere elektricitet fra renset termisk energi. Til omdannelse af varme til elektricitet, princippet er det samme som for lys-fangende svingninger i et felt med bredbånds-carbon nanorør-antennen.

"Folk har været begejstrede for termoelektriske generatorer, men der er mange begrænsninger for at få et system, der fungerer effektivt, " sagde han. "Vi tror på, at rectenna-teknologien vil være den bedste tilgang til økonomisk høst af varme."

I det fremtidige arbejde, forskerholdet håber at optimere antennedriften, og forbedre deres teoretiske forståelse af, hvordan rectenna fungerer, giver mulighed for yderligere optimering. En dag, Cola håber, at enhederne vil hjælpe med at fremskynde rumrejser, producere strøm til elektriske thrustere, der vil booste rumfartøjer.

"Vores slutspil er at se kulstof nanorør optiske rektenner arbejde på Mars og i rumfartøjet, der tager os til Mars, " han sagde.