El equipo de investigación que anunció la primera rectenna óptica en 2015 ahora informa una mejora doble en la eficiencia de los dispositivos, y un cambio a materiales de diodo estables al aire. Las mejoras podrían permitir las rectennas, que convierten los campos electromagnéticos enfrecuencias ópticas directamente a la corriente eléctrica: para operar dispositivos de baja potencia, como sensores de temperatura.
En última instancia, los investigadores creen que el diseño de su dispositivo, una combinación de una antena de nanotubos de carbono y un rectificador de diodos, podría competir con las tecnologías fotovoltaicas convencionales para producir electricidad a partir de la luz solar y otras fuentes. La misma tecnología utilizada en las rectennas también podría convertir directamenteenergía térmica a electricidad.
"Este trabajo da un salto significativo tanto en la comprensión fundamental como en la eficiencia práctica del dispositivo óptico de rectenna", dijo Baratunde Cola, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff en el Instituto de Tecnología de Georgia ".abre esta tecnología a muchos más investigadores que pueden unir fuerzas con nosotros para avanzar en la tecnología de rectenna óptica para ayudar a impulsar una gama de aplicaciones, incluido el vuelo espacial ".
La investigación se informa el 26 de enero en la revista Materiales electrónicos avanzados . El trabajo ha sido apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. En el marco del Programa de Jóvenes Investigadores y por la National Science Foundation.
Las rectennas ópticas operan acoplando el campo electromagnético de la luz a una antena, en este caso una matriz de nanotubos de carbono de pared múltiple cuyos extremos se han abierto. El campo electromagnético crea una oscilación en la antena, produciendo un flujo alterno de electrones. Cuando el electrónel flujo alcanza un pico en un extremo de la antena, el diodo se cierra, atrapa los electrones, luego se vuelve a abrir para capturar la siguiente oscilación, creando un flujo de corriente.
La conmutación debe ocurrir a frecuencias de terahercios para que coincida con la luz. La unión entre la antena y el diodo debe proporcionar una resistencia mínima a los electrones que fluyen a través de ella mientras está abierta, pero evitar fugas mientras está cerrada.
"El nombre del juego es maximizar la cantidad de electrones que se excitan en el nanotubo de carbono, y luego tener un interruptor que sea lo suficientemente rápido como para capturarlos en su punto máximo", explicó Cola. "Cuanto más rápido cambie, máselectrones que puedes atrapar en un lado de la oscilación "
Para proporcionar una función de trabajo baja - facilidad de flujo de electrones - los investigadores inicialmente usaron calcio como metal en su aislante de óxido - unión de diodos metálicos. Pero el calcio se descompone rápidamente en el aire, lo que significa que el dispositivo tuvo que encapsularse duranteoperación - y fabricado en una guantera. Eso hizo que la rectenna óptica fuera poco práctica para la mayoría de las aplicaciones y difícil de fabricar.
So Cola, Erik Anderson, investigador graduado de NSF e ingeniero de investigación Thomas Bougher, reemplazó el calcio con aluminio y probó una variedad de materiales de óxido en los nanotubos de carbono antes de instalarse en un material bicapa compuesto de alúmina Al2O3 y dióxido de hafnio HfO2El revestimiento combinado para la unión de nanotubos de carbono, creado a través de un proceso de deposición atómica, proporciona las propiedades de tunelización de electrones mecánicos cuánticos requeridos por la ingeniería de las propiedades electrónicas del óxido en lugar de los metales, lo que permite que metales estables al aire con funciones de trabajo más altas que el calcio..
Las rectennas fabricadas con la nueva combinación han permanecido funcionales durante tanto tiempo como un año. También se podrían usar otros óxidos metálicos, dijo Cola.
Los investigadores también diseñaron la pendiente de la colina por la que caen los electrones en el proceso de tunelización. Eso también ayudó a aumentar la eficiencia y permite el uso de una variedad de materiales de óxido. El nuevo diseño también aumentó la asimetría de los diodos,que aumentó la eficiencia.
"Al trabajar con la afinidad del óxido de electrones, pudimos aumentar la asimetría en más de diez veces, haciendo que este diseño de diodo sea más atractivo", dijo Cola. "De ahí obtuvimos el aumento de eficiencia en esta nueva versión deel dispositivo."
Las rectennas ópticas podrían competir teóricamente con los materiales fotovoltaicos para convertir la luz solar en electricidad. Los materiales fotovoltaicos funcionan con un principio diferente, en el que los fotones liberan electrones de los átomos de ciertos materiales. Los electrones se recogen en corriente eléctrica.
En septiembre de 2015 en la revista Nature Nanotechnology, Cola y Bougher informaron sobre la primera rectenna óptica, un dispositivo que se había propuesto teóricamente durante más de 40 años, pero que nunca se demostró.
La versión anterior informada en el diario producía energía a niveles de microvoltios. La rectenna ahora produce energía en el rango de milivoltios y la eficiencia de conversión ha pasado de 10 -5 a 10 -3, todavía muy baja, pero una cantidad significativaganancia.
"Aunque todavía hay margen para una mejora significativa, esto pone el voltaje en el rango donde se pueden ver las rectennas ópticas que operan sensores de baja potencia", dijo Cola. "Hay muchos pasos de geometría del dispositivo que podría tomar para hacer algoútil con la rectenna óptica hoy en dispositivos de voltaje que no requieren corriente significativa "
Cola cree que las rectennas podrían ser útiles para alimentar los dispositivos de Internet de las cosas, especialmente si pueden usarse para producir electricidad a partir de energía térmica eliminada. Para convertir el calor en electricidad, el principio es el mismo que para las oscilaciones de captura de luz en uncampo con la antena de nanotubos de carbono de banda ancha.
"La gente ha estado entusiasmada con los generadores termoeléctricos, pero existen muchas limitaciones para obtener un sistema que funcione de manera efectiva", dijo. "Creemos que la tecnología rectenna será el mejor enfoque para cosechar calor económicamente".
En el trabajo futuro, el equipo de investigación espera optimizar el funcionamiento de la antena y mejorar su comprensión teórica de cómo funciona la rectenna, lo que permite una mayor optimización. Un día, Cola espera que los dispositivos ayuden a acelerar el viaje espacial, produciendo energía para propulsores eléctricos queimpulsará la nave espacial.
"Nuestro juego final es ver las rectennas ópticas de nanotubos de carbono trabajando en Marte y en la nave espacial que nos lleva a Marte", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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