Usando componentes a escala nanométrica, los investigadores han demostrado la primera rectenna óptica, un dispositivo que combina las funciones de una antena y un diodo rectificador para convertir la luz directamente en corriente continua.
Basado en nanotubos de carbono de pared múltiple y pequeños rectificadores fabricados en ellos, las rectennas ópticas podrían proporcionar una nueva tecnología para fotodetectores que operarían sin la necesidad de refrigeración, recolectores de energía que convertirían el calor residual en electricidad, y en última instancia de una nueva manerapara capturar eficientemente la energía solar.
En los nuevos dispositivos, desarrollados por ingenieros del Instituto de Tecnología de Georgia, los nanotubos de carbono actúan como antenas para capturar la luz del sol u otras fuentes. A medida que las ondas de luz golpean las antenas de nanotubos, crean una carga oscilante que se muevea través de dispositivos rectificadores conectados a ellos. Los rectificadores se encienden y apagan a velocidades récord de petahercios, creando una pequeña corriente continua.
Miles de millones de rectennas en una matriz pueden producir una corriente significativa, aunque la eficiencia de los dispositivos demostrados hasta ahora permanece por debajo del uno por ciento. Los investigadores esperan aumentar ese rendimiento a través de técnicas de optimización, y creen que una rectenna con potencial comercial puede estar disponible dentro deun año.
"En última instancia, podríamos fabricar células solares que sean dos veces más eficientes a un costo diez veces menor, y esa es para mí una oportunidad de cambiar el mundo a lo grande", dijo Baratunde Cola, profesor asociado en GeorgeW. Woodruff School of Mechanical Engineering en Georgia Tech. "Como un detector robusto de alta temperatura, estas rectennas podrían ser una tecnología completamente disruptiva si podemos llegar a un uno por ciento de eficiencia. Si podemos llegar a mayores eficiencias, podríamos aplicarloa tecnologías de conversión de energía y captura de energía solar ".
La investigación, apoyada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa DARPA, el Centro de Sistemas de Guerra Espacial y Naval SPAWAR y la Oficina de Investigación del Ejército ARO, se informará el 28 de septiembre en la revista Nanotecnología de la naturaleza .
Desarrolladas en las décadas de 1960 y 1970, las rectennas han funcionado a longitudes de onda tan cortas como diez micras, pero durante más de 40 años los investigadores han estado intentando fabricar dispositivos con longitudes de onda ópticas. Hubo muchos desafíos: hacer que las antenas fueran lo suficientemente pequeñas como para acoplar ópticaslongitudes de onda, y la fabricación de un diodo rectificador correspondiente lo suficientemente pequeño y capaz de operar lo suficientemente rápido como para capturar las oscilaciones de las ondas electromagnéticas. Pero el potencial de alta eficiencia y bajo costo mantuvo a los científicos trabajando en la tecnología.
"La física y los conceptos científicos han estado ahí afuera", dijo Cola. "Ahora era el momento perfecto para probar algunas cosas nuevas y hacer que un dispositivo funcione, gracias a los avances en la tecnología de fabricación".
Utilizando nanotubos de carbono de pared múltiple metálica y técnicas de fabricación a nanoescala, Cola y sus colaboradores Asha Sharma, Virendra Singh y Thomas Bougher construyeron dispositivos que utilizan la naturaleza ondulatoria de la luz en lugar de su naturaleza de partículas. También utilizaron una larga serie de pruebas, y másde un millar de dispositivos: para verificar las mediciones de corriente y voltaje para confirmar la existencia de funciones rectenna que se habían predicho teóricamente. Los dispositivos operaban en un rango de temperaturas de 5 a 77 grados centígrados.
La fabricación de las rectennas comienza con el crecimiento de bosques de nanotubos de carbono alineados verticalmente sobre un sustrato conductor. Utilizando la deposición química de vapor en la capa atómica, los nanotubos se recubren con un material de óxido de aluminio para aislarlos. Finalmente, la deposición física de vapor se utiliza para depositar ópticamentecapas delgadas transparentes de calcio y luego metales de aluminio sobre el bosque de nanotubos. La diferencia de funciones de trabajo entre los nanotubos y el calcio proporciona un potencial de aproximadamente dos voltios de electrones, suficiente para expulsar electrones de las antenas de nanotubos de carbono cuando son excitados por la luz.
En funcionamiento, las ondas de luz oscilantes pasan a través del electrodo transparente de calcio-aluminio e interactúan con los nanotubos. Las uniones metal-aislante-metal en las puntas de los nanotubos sirven como rectificadores que se encienden y apagan a intervalos de femtosegundos, permitiendo que los electrones generados por elantena para fluir en un sentido hacia el electrodo superior. La capacitancia ultrabaja, del orden de unos pocos attofaradios, permite que el diodo de 10 nanómetros de diámetro funcione a estas frecuencias excepcionales.
"Una rectenna es básicamente una antena acoplada a un diodo, pero cuando te mueves hacia el espectro óptico, eso generalmente significa una antena de nanoescala acoplada a un diodo de metal-aislante-metal", explicó Cola. "Cuanto más cerca puedas obtener elantena al diodo, cuanto más eficiente es. Entonces, la estructura ideal usa la antena como uno de los metales en el diodo, que es la estructura que hicimos ".
Las rectennas fabricadas por el grupo de Cola se cultivan en sustratos rígidos, pero el objetivo es cultivarlas en una lámina u otro material que produzca células solares flexibles o fotodetectores.
Cola considera que las rectennas construidas hasta ahora son una simple prueba de principio. Tiene ideas sobre cómo mejorar la eficiencia cambiando los materiales, abriendo los nanotubos de carbono para permitir múltiples canales de conducción y reduciendo la resistencia en las estructuras.
"Creemos que podemos reducir la resistencia en varios órdenes de magnitud simplemente mejorando la fabricación de las estructuras de nuestros dispositivos", dijo. "Basado en lo que otros han hecho y lo que la teoría nos muestra, creo que estos dispositivos podríanllegar a más del 40 por ciento de eficiencia "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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