Rectena óptica

Una rectena óptica es una rectena (antena rectificadora) que funciona con luz visible o infrarroja. ^{[ 1 ]} Una rectena es un circuito que contiene una antena y un diodo , que convierte las ondas electromagnéticas en corriente continua . Si bien las rectenas se han utilizado durante mucho tiempo para ondas de radio o microondas , una rectena óptica funcionaría de la misma manera, pero con luz infrarroja o visible, convirtiéndola en electricidad.

Si bien las rectenas tradicionales (de radio y microondas) son fundamentalmente similares a las ópticas, en la práctica, fabricar una rectena óptica es mucho más complejo. Un desafío radica en 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 con la suficiente rapidez para rectificarla . Otro desafío es que las antenas suelen tener un tamaño similar a la longitud de onda, por lo que una antena óptica muy pequeña requiere un complejo proceso de fabricación nanotecnológica . Un tercer desafío es que, al ser tan pequeñas, las antenas ópticas generalmente absorben muy poca potencia y, por lo tanto, tienden a producir un voltaje mínimo en el diodo, lo que resulta en una baja no linealidad del diodo y, por consiguiente, en una baja eficiencia. Debido a estos y otros desafíos, las rectenas ópticas se han limitado hasta ahora a demostraciones de laboratorio, generalmente con luz láser intensa y focalizada que produce una cantidad de potencia mínima pero medible.

Sin embargo, se espera que los conjuntos de rectenas ópticas puedan convertirse en un medio eficiente para transformar la luz solar en energía eléctrica, generando 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 ]} Hasta 2012, solo se habían construido unos pocos dispositivos de rectenas ópticas, demostrando únicamente la posibilidad de conversión de energía. ^{[ 3 ]} Se desconoce si llegarán a ser tan rentables o eficientes como las células fotovoltaicas convencionales .

El término nanantena (nanoantena) se utiliza a veces para referirse tanto a una rectena óptica como a una antena óptica por sí sola. ^{[ 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 a 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 usarían 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 ]} (véase 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 rectenas ópticas modernas. La patente analiza el uso de un diodo "tipo descrito por [Ali Javan ] en el IEEE Spectrum, octubre de 1971, página 91 ", a saber, un bigote de gato  de metal de 100 nm de diámetro a 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 luz visible a corriente continua ^{[ 7 ]} Alvin M. Marks recibió una patente en 1984 para un dispositivo que declaraba explícitamente el uso de antenas submicrométricas 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 resonante de luz por una nanoestructura fabricada y la rectificación de luz con frecuencias en el rango visible. ^{[ 9 ]} En 2002, ITN Energy Systems, Inc. publicó un informe sobre su trabajo en antenas ópticas acoplado con 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 ]} 

In 2015, Baratunde A. Cola's research team at the Georgia Institute of Technology, developed a solar energy collector that can convert optical light to DC current, an optical rectenna using carbon nanotubes,.^[10] Vertical arrays of multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) grown on a metal-coated substrates were coated with insulating aluminum oxide and altogether capped with a metal electrode layer. The small dimensions of the nanotubes act as antennae, capable of capturing optical wavelengths. The MWCNT also doubles as one layer of a metal-insulator-metal (MIM) tunneling diode. Due to the small diameter of MWCNT tips, this combination forms a diode that is capable of rectifying the high frequency optical radiation. The overall achieved conversion efficiency of this device is around 10⁻⁵ %.^[10] Nonetheless, optical rectenna research is ongoing.

The primary drawback of these carbon nanotube rectenna devices is a lack of air stability. The device structure originally reported by Cola used calcium as a semitransparent top electrode because the low work function of calcium (2.9 eV) relative to MWCNTs (~5 eV) creates the diode asymmetry needed for optical rectification. However, metallic calcium is highly unstable in air and oxidizes rapidly. Measurements had to be made within a glovebox under an inert environment to prevent device breakdown. This limited practical application of the devices.

Cola and his team later solved the challenges with device instability by modifying the diode structure with multiple layers of oxide. In 2018 they reported the first air-stable optical rectenna along with efficiency improvements.

The air-stability of this new generation of rectenna was achieved by tailoring the diode's quantum tunneling barrier. Instead of a single dielectric insulator, they showed that the use of multiple dissimilar oxide layers enhances diode performance by modifying diode tunneling barrier. By using oxides with different electron affinities, the electron tunneling can be engineered to produce an asymmetric diode response regardless of the work function of the two electrodes. By using layers of Al₂O₃ and HfO₂, a double-insulator diode (metal-insulator-insulator-metal (MIIM)) was constructed that improved the diode's asymmetric response more than 10-fold without the need for low work function calcium, and the top metal was subsequently replaced with air-stable silver.

Los esfuerzos futuros se centrarán en mejorar la eficiencia del dispositivo mediante la investigación de materiales alternativos, la manipulación de los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) y las capas aislantes para favorecer la conducción en la interfaz y reducir las resistencias dentro de la estructura.

Otro enfoque fue presentado en 2022 por Proietti Zaccaria Remo y colaboradores en el Instituto Italiano de Tecnología , basado en una solución de arriba hacia abajo donde la antena y el rectificador se fusionaron en una única solución basada en plasmones. ^{[ 11 ]} La rectena propuesta fue probada a 1064 nm, tanto en formato simple como matricial, logrando una eficiencia de 10 ^{− 3}  %. Además, se realizaron análisis tanto experimentales como teóricos a 780 nm, con resultados positivos que sugieren que las rectenas basadas en plasmones podrían servir como un enfoque viable para lograr una rectena de alto rendimiento en el rango visible. Aunque esta solución representa un paso significativo hacia adelante, aún quedan varios desafíos que impiden que las rectenas ópticas alcancen el umbral de eficiencia del 1 % requerido para aplicaciones prácticas. Los principales obstáculos incluyen lograr la resonancia óptica independientemente de las condiciones de radiación incidente (por ejemplo, ángulo de incidencia) y mejorar el rendimiento del rectificador.

La teoría detrás de las rectenas ópticas es esencialmente la misma que para las antenas tradicionales (de radio o microondas) . La luz incidente sobre la antena hace que los electrones en la antena se muevan de un lado a otro a la misma frecuencia que la luz incidente. Esto es causado por el campo eléctrico oscilante de la onda electromagnética incidente. El movimiento de los electrones es una corriente alterna (CA) en el circuito de la antena. Para convertir esta CA en corriente continua (CC), la CA debe rectificarse, lo que generalmente se hace con un diodo . La corriente continua resultante puede luego usarse para alimentar una carga externa. La frecuencia de resonancia de las antenas (frecuencia que resulta en la impedancia más baja y, por lo tanto, la mayor eficiencia) escala linealmente con las dimensiones físicas de la antena según la teoría simple de antenas de microondas. ^{[ 6 ]} Las longitudes de onda en el espectro solar varían de aproximadamente 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 empleadas en la teoría típica de antenas rectificadoras, surgen varias complicaciones al analizar las rectenas ópticas. A frecuencias superiores al infrarrojo, casi toda la corriente se conduce cerca de la superficie del conductor, lo que reduce su área de sección transversal efectiva y, por consiguiente, aumenta su resistencia. Este efecto se conoce como " efecto piel ". Desde una perspectiva puramente tecnológica, las características I-V dejarían de ser óhmicas, aunque la ley de Ohm, en su forma vectorial generalizada, siga siendo válida.

Otra complicación de la miniaturización es que los diodos utilizados en rectenas de mayor tamaño no pueden operar a frecuencias de THz sin una gran pérdida de potencia. ^{[ 5 ]} Esta gran pérdida de potencia se debe a la capacitancia de unión (también conocida como capacitancia parásita) presente 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 0,4–1,6  μm corresponden a frecuencias de aproximadamente 190–750  THz, mucho mayores que las capacidades de los diodos típicos. Por lo tanto, es necesario utilizar diodos alternativos para una conversión de potencia eficiente. En los dispositivos de rectena óptica actuales, se utilizan diodos túnel metal-aislante-metal (MIM) . A diferencia de los diodos Schottky, los diodos MIM no se ven afectados por las capacitancias parásitas porque funcionan mediante el efecto túnel de electrones . Por ello, se ha demostrado que los diodos MIM operan eficazmente a frecuencias cercanas a los 150 THz . ^{[ 6 ]}

Una de las mayores ventajas que se le 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 supuestos diferentes. 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

${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{\text{frío}}}{T_{\text{caliente}}}}}$

donde Tfrío _es la temperatura del cuerpo más frío y Tcaliente _es la del cuerpo más caliente. Para que haya una conversión de energía eficiente, la diferencia de temperatura entre ambos cuerpos debe ser significativa. RL Bailey afirma que las rectenas no están limitadas por la eficiencia de Carnot, a diferencia de las células fotovoltaicas . Sin embargo, no aporta ningún argumento para esta afirmación. Además, cuando se aplican a las células solares de unión simple las mismas suposiciones utilizadas para obtener la eficiencia teórica del 85 % para las rectenas, la eficiencia teórica de estas últimas también es superior al 85 %.

La ventaja más evidente de 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 supone una ventaja sobre la fotovoltaica de semiconductores, ya que para absorber diferentes longitudes de onda de luz se necesitan diferentes bandas prohibidas. Para variar la banda prohibida, el semiconductor debe ser aleado o debe utilizarse un semiconductor completamente diferente. ^{[ 5 ]}

Como se indicó 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 diodos Schottky típicos sea poco práctico. Si bien los diodos MIM muestran características prometedoras para su uso en rectenas ópticas, se necesitan más avances para operar eficientemente a frecuencias más altas. ^{[ 12 ]}

Otra desventaja es que las rectenas ópticas actuales se producen mediante litografía por haz de electrones ( e-beam ). Este proceso es lento y relativamente costoso, ya que no permite el procesamiento paralelo. Normalmente, la litografía por haz de electrones se utiliza únicamente con fines de investigación, cuando se requieren resoluciones extremadamente finas para el tamaño mínimo de las características (generalmente, del orden de nanómetros). Sin embargo, las técnicas fotolitográficas han avanzado hasta el punto de que es posible obtener tamaños mínimos de características del orden de decenas de nanómetros, lo que posibilita la producción de rectenas mediante fotolitografía. ^{[ 12 ]}

Una vez completada la prueba de concepto, se fabricaron obleas de silicio a escala de laboratorio utilizando técnicas estándar de fabricación de circuitos integrados semiconductores. Se empleó litografía por haz de electrones para fabricar las matrices 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 refleja la luz hacia la antena y la cavidad de resonancia óptica la desvía y concentra hacia la antena a través del plano de tierra. ^{[ 5 ]} Este trabajo no incluyó la producción del diodo.

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 las fotovoltaicas son caros (actualmente el costo de los módulos fotovoltaicos completos es del orden de 430 USD /m² ^en 2011 y está disminuyendo. ^{[ 14 ]} ), Steven Novack estima que el costo actual del material de la antena en sí es de alrededor de 5-11 USD/m² ^en 2008. ^{[ 15 ]} Con técnicas de procesamiento adecuadas y una selección de materiales diferente, estima que el costo total del procesamiento, una vez que se escale 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 . ^{[ 16 ]} El prototipo utilizó un sustrato de silicio debido a las técnicas de procesamiento conocidas, pero teóricamente 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 Radio Pública Nacional (NPR), el Dr. Novack afirmó que las rectenas ópticas podrían usarse algún día para alimentar automóviles, cargar teléfonos celulares e incluso enfriar hogares. Novack afirmó que esto último funcionaría absorbiendo el calor infrarrojo disponible en la habitación y produciendo electricidad que podría usarse para enfriarla aún más. (Otros científicos han refutado esta afirmación, argumentando que violaría la segunda ley de la termodinámica . ^{[ 17 ] [ 18 ]} )

Mejorar el diodo es un desafío importante. Existen dos requisitos exigentes: velocidad y no linealidad. Primero, el diodo debe tener la velocidad suficiente para rectificar la luz visible. Segundo, a menos que la luz incidente sea extremadamente intensa, el diodo necesita ser extremadamente no lineal (corriente directa mucho mayor que la corriente inversa) para evitar la fuga por polarización inversa. Una evaluación de la captación de energía solar determinó que, para obtener una alta eficiencia, el diodo necesitaría una corriente (oscura) mucho menor que 1 μA con una polarización inversa de 1 V. ^{[ 19 ]} Esta evaluación asumió (de forma optimista) que la antena era un conjunto de antenas direccionales apuntando directamente al sol; una rectena que capta luz de todo el cielo, como una célula solar de silicio típica, necesitaría una corriente de polarización inversa aún menor, de varios órdenes de magnitud. (El diodo necesita simultáneamente una alta corriente de polarización directa, relacionada con la adaptación de impedancia a la antena).

Existen diodos especiales para alta velocidad (por ejemplo, los diodos túnel metal-aislante-metal mencionados anteriormente), y también existen 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 rectena basada en nanotubos de carbono:

• Función de trabajo baja : Se necesita una gran diferencia en la función de trabajo (WF) entre los MWCNT para maximizar la asimetría del diodo, lo que reduce el voltaje de encendido necesario para inducir una fotorrespuesta. La WF de los nanotubos de carbono es de 5 eV y la WF de la capa superior de calcio es de 2,9 eV, lo que da una diferencia total de función de trabajo de 2,1 eV para el diodo MIM.
• Alta transparencia: Idealmente, las capas superiores de los electrodos deberían ser transparentes para permitir que la luz incidente llegue a las antenas de nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT).
• Baja resistencia eléctrica: Mejorar la conductividad del dispositivo aumenta la potencia rectificada. Sin embargo, la resistencia tiene otros efectos sobre el rendimiento del dispositivo. Una adaptación de impedancia ideal entre la antena y el diodo optimiza la potencia rectificada. Reducir las resistencias estructurales también aumenta la frecuencia de corte del diodo, lo que a su vez mejora el ancho de banda efectivo de las frecuencias rectificadas de la luz. El intento actual de utilizar calcio en la capa superior genera una alta resistencia debido a la rápida oxidación del calcio.

Actualmente, los investigadores esperan crear un rectificador capaz de convertir aproximadamente el 50 % de la absorción de la antena en energía. ^{[ 15 ]} Otro objetivo de la investigación será cómo escalar adecuadamente el proceso para la producción en masa. Será necesario seleccionar y probar nuevos materiales que se adapten fácilmente a un proceso de fabricación rollo a rollo. Los objetivos futuros incluyen intentar fabricar dispositivos sobre sustratos flexibles para crear células solares flexibles.

• Antena de grafeno
• diodo metal-aislante-metal
• Nanoláser

• Sitio web oficial de NOVASOLIX