Nanoantenna (nantenna) : un dispositivo para convertir la energía solar en corriente eléctrica , construido sobre el principio de una antena rectificadora , pero que no opera en el rango de radio , sino en el rango de longitud de onda óptica de la radiación electromagnética . La idea de usar antenas para recolectar energía solar fue propuesta por primera vez por Robert Bailey en 1972 [1] . Asimismo, esta idea fue propuesta por Nikola Tesla en la patente Nº 685.957 con fecha 05/11/1901.
También es posible otra interpretación extendida de este término, según la cual una nanoantena debe entenderse como una antena en miniatura , cuyas dimensiones no superan los cientos de micras, y una de las dimensiones es de 100 o menos nanómetros. Un ejemplo de este tipo de nanoantenas son los dipolos basados en nanotubos, que permiten operar con señales con una frecuencia de varios cientos de GHz. [2]
Una nanoantena es un colector de radiación electromagnética, diseñado para absorber energía de una determinada longitud de onda, proporcional al tamaño de la nanoantena. Actualmente, el Laboratorio Nacional de Idaho ha desarrollado nanoantenas para absorber longitudes de onda en el rango de 3-15 µm, [3] que corresponden a energías de fotones de 0,08-0,4 eV. Según la teoría de la antena, una nanoantena puede absorber luz de cualquier longitud de onda de manera efectiva, siempre que el tamaño de la nanoantena esté optimizado para una longitud de onda particular. Idealmente, las nanoantenas se usan mejor para absorber luz en longitudes de onda de 0,4 a 1,6 micrones, porque estas ondas tienen más energía que las infrarrojas (ondas largas) y representan aproximadamente el 85 % del espectro de radiación solar (ver Fig. 1) . [cuatro]
En 1973, Robert Bailey, junto con James Fletcher, recibió una patente para un "convertidor de ondas electromagnéticas". [5] El dispositivo patentado era similar a las nanoantenas actuales. En 1984, Alvin Marks recibió una patente para un dispositivo que establece explícitamente el uso de antenas submicrónicas para convertir directamente la energía solar en energía eléctrica. [6] El dispositivo de Marx mostró mejoras significativas en la eficiencia sobre el dispositivo de Bailey. [7] En 1996, Lin Guang X. fue el primero en presentar un informe sobre la absorción resonante de luz en nanoestructuras especialmente preparadas y la detección de luz con una frecuencia en el rango visible. [7] En 2002, ITN Energy Systems publicó un informe sobre su trabajo con antenas ópticas en combinación con diodos de alta frecuencia. ITN se propuso construir una matriz de nanoantenas eficientes. del orden de un pequeño porcentaje. Aunque no tuvieron éxito, los problemas relacionados con la construcción de nanoantenas altamente eficientes han encontrado una mejor comprensión. [4] La investigación sobre nanoantenas está en curso. [2]
La teoría detrás de las nanoantenas es esencialmente la misma que describe el funcionamiento de las antenas rectificadoras ( rectennas ). La luz que incide sobre la antena hace que los electrones de la antena oscilen de un lado a otro a la misma frecuencia que la luz entrante. Esto se debe a las fluctuaciones en el campo eléctrico de la onda electromagnética entrante. El movimiento de electrones crea una corriente alterna en el circuito de la antena. Para convertir la corriente alterna en corriente continua, debe detectarla, lo que generalmente se hace con un diodo rectificador. Después de esta conversión, la corriente continua se puede usar para alimentar una carga externa. La frecuencia resonante de una antena (la frecuencia en la que el sistema tiene la impedancia más baja y, por lo tanto, la eficiencia más alta) crece linealmente con las dimensiones físicas de la antena de acuerdo con la teoría simple de las antenas de microondas, [4] sin embargo, los efectos cuánticos deben ser tenido en cuenta en su cálculo. [2] Las longitudes de onda del espectro solar se encuentran en el rango de aproximadamente 0,3 a 2,0 µm. [4] Así, para que una antena rectificadora sea un colector solar electromagnético eficiente, debe tener elementos del orden de cientos de nanómetros de tamaño.
Debido a las simplificaciones utilizadas en la teoría de las antenas rectificadoras típicas, surgen varios puntos difíciles cuando se habla de nanoantenas. En frecuencias por encima de la región infrarroja, casi toda la corriente se transporta cerca de la superficie del conductor, lo que reduce el área transversal efectiva del conductor y conduce a un aumento de la resistencia. Este efecto se conoce como el " efecto piel ".
Otra complicación de la reducción de tamaño es que los diodos utilizados en grandes rectennas no pueden operar a frecuencias de terahercios sin grandes pérdidas de energía. [3] La pérdida de potencia se debe a la capacitancia de la unión (conocida como capacitancia parásita) que tienen las uniones pn de los diodos convencionales y Schottky , lo que significa que solo pueden operar de manera efectiva a frecuencias inferiores a 5 THz. Las longitudes de onda ideales de 0,4-1,6 μm corresponden a frecuencias de aproximadamente 190-750 THz, que es mucho más alta que las capacidades de los diodos tradicionales. Por lo tanto, se deben usar diodos alternativos para una conversión de energía eficiente. Los dispositivos modernos de nanoantenas utilizan diodos de túnel basados en uniones metal-aislante-metal (MIM). A diferencia de los diodos Schottky, los diodos MDM no tienen capacitancias parásitas porque operan sobre la base de túneles de electrones. Debido a esto, los diodos MDM funcionan de manera efectiva a frecuencias de alrededor de 150 THz, que es mucho más cercana a las frecuencias óptimas de las nanoantenas. [cuatro]
Una de las ventajas declaradas más importantes de las nanoantenas es su alta eficiencia teórica (COP). En comparación con la eficiencia teórica de las células solares, es probable que las nanoantenas tengan una ventaja significativa.
La ventaja más obvia de las nanoantenas sobre las células fotovoltaicas de semiconductores es que es bastante fácil diseñar conjuntos de nanoantenas para frecuencias de luz arbitrarias. Simplemente eligiendo el tamaño de la nanoantena en la matriz, su frecuencia resonante se puede ajustar para absorber una longitud de onda de luz específica (la escala de frecuencia resonante es aproximadamente lineal con el tamaño de la antena). Esta es una gran ventaja frente a las células solares semiconductoras, ya que en ellas, para cambiar la longitud de onda de la luz absorbida, es necesario cambiar la banda prohibida del semiconductor. Y para cambiar la brecha de banda, el semiconductor se debe dopar de una manera especial, o se debe usar otro semiconductor por completo. [3]
Como se señaló anteriormente, una de las principales limitaciones de las nanoantenas es la frecuencia a la que operan. La alta frecuencia de la luz en el rango de longitud de onda ideal hace que el uso de los típicos diodos Schottky no sea práctico. Aunque los diodos MDM han mostrado un potencial prometedor para su uso en nanoantenas, se necesitan nuevos métodos avanzados para garantizar un funcionamiento eficiente a altas frecuencias.
Otra desventaja es que las nanoantenas actuales [8] se fabrican utilizando un haz de electrones (litografía por haz de electrones). Este proceso es lento y bastante costoso porque no es posible el procesamiento paralelo en la litografía por haz de electrones. Como regla general, la litografía por haz de electrones se usa solo con fines de investigación, cuando se necesita una resolución extremadamente precisa para el tamaño mínimo de los elementos (generalmente del orden de varios nanómetros). Sin embargo, en la actualidad, los métodos de fotolitografía han avanzado tanto que es posible crear tamaños de elementos mínimos del orden de decenas de nanómetros, lo que hace posible producir nanoantenas mediante fotolitografía.
Después de la prueba de concepto, se fabricaron muestras de silicio de laboratorio utilizando técnicas estándar de fabricación de circuitos integrados de semiconductores. Se utilizó litografía por haz de electrones para fabricar las estructuras metálicas del conjunto de antenas. La nanoantena consta de tres partes principales: el plano base, el resonador óptico y la propia antena. La antena absorbe las ondas electromagnéticas, el plano base refleja la luz hacia la antena y el resonador óptico desvía y concentra la luz también hacia la antena con la ayuda del plano base. [3] También es posible crear nanoantenas basadas en nanotubos. [2]
El Laboratorio Nacional de Idaho utilizó los siguientes pasos para fabricar sus conjuntos de nanoantenas. Se colocó un plano de base de metal sobre la oblea de silicio, sobre la cual se bombardeó preliminarmente una capa de silicio amorfo. El grosor de la capa de silicio depositada era aproximadamente una cuarta parte de la longitud de onda de la luz. Se aplicó una fina película de manganeso como antena, junto con una superficie de oro selectiva en frecuencia (la superficie actúa como un filtro de la frecuencia deseada). Después de eso, utilizando litografía por haz de electrones, se depositó una capa resistiva a través de la plantilla. La película de oro se grabó selectivamente y luego se eliminó la capa resistiva.
Para la producción a gran escala, los pasos de procesamiento de laboratorio, como la litografía por haz de electrones, son demasiado lentos y costosos. Por lo tanto, se desarrolló un método de producción rollo a rollo utilizando una nueva tecnología que utiliza una plantilla maestra. Esta plantilla maestra se utiliza para "imprimir" mecánicamente un patrón preciso en un sustrato flexible y económico. La plantilla de referencia se utiliza para crear los elementos metálicos del bucle que son visibles en el paso de laboratorio. La plantilla de referencia, hecha en el Laboratorio Nacional de Idaho, consta de aproximadamente 10 mil millones de elementos de antena en una oblea de silicio redonda de 8 pulgadas. Con este proceso semiautomático, el Laboratorio Nacional de Idaho ha producido una gran cantidad de tarjetas cuadradas de 4 pulgadas. Luego, estas tarjetas se combinaron para formar una gran lámina flexible con una matriz de nanoantenas.
La prueba del principio de funcionamiento de la nanoantena se inició con un producto sobre un sustrato de silicio con un área de 1 cm 2 , sobre el cual se aplicó por impresión una rejilla de nanoantena, rellenando esta área. El dispositivo se probó usando luz infrarroja en el rango de 3 a 15 µm. El pico de radiación estaba en una longitud de onda de 6,5 micras y alcanzó una eficiencia termoiónica de 1. La eficiencia termoiónica de 1 significa que la nanoantena absorbe todos los fotones de una cierta longitud de onda (6,5 micras en este caso) que caen sobre el dispositivo. [9] Comparando los espectros experimental y simulado, vemos que los resultados experimentales están de acuerdo con las expectativas teóricas (Fig. 3). En algunas áreas, la eficiencia termoiónica de la nanoantena fue menor que la teóricamente calculada, pero en otras áreas, a saber, a una longitud de onda de alrededor de 3,5 micrones, el dispositivo absorbió más luz de lo esperado.
Después de la prueba de concepto utilizando un producto sobre un sustrato de silicio rígido, el experimento se repitió sobre una muestra de un sustrato de polímero flexible. La longitud de onda esperada para el sustrato flexible se fijó en 10 micras. Las pruebas iniciales han demostrado que el diseño de la nanoantena se puede transferir a un sustrato de polímero, pero se necesita más experimentación para optimizar completamente el rendimiento.
Las nanoantenas son más baratas que las células solares. Los materiales y el procesamiento de las células solares son bastante caros (más de $1000 por metro cuadrado, utilizando un sustrato de silicio). En lo que respecta a las nanoantenas, Steven Novak ha estimado el costo actual de los materiales entre cinco y diez dólares por metro cuadrado. [10] Con la elección correcta de los métodos de procesamiento y los materiales apropiados, estima que el costo total de la producción en masa será bastante bajo. Su prototipo de un pie de largo estaba hecho de una lámina de plástico de dos pies que contenía oro por valor de unos 60 centavos. Es posible reducir incluso este costo, ya que se pueden utilizar otros materiales en la producción: aluminio, cobre o plata. [11] El prototipo usó un sustrato de silicio obtenido por métodos de procesamiento conocidos, pero teóricamente se pueden usar otros sustratos, solo es necesario que el plano de referencia tenga la orientación correcta.
En una entrevista con National Public Radio, el Dr. Novak dijo que las nanoantenas algún día podrían usarse para impulsar automóviles, cargar teléfonos celulares e incluso enfriar hogares. Sobre esto último, Novak dijo que los sistemas de enfriamiento funcionarán, en primer lugar, como absorbentes del calor infrarrojo disponible en la habitación, que se utilizará para generar electricidad, y esta electricidad se puede usar para enfriar aún más la habitación.
Actualmente, el mayor problema no está en la antena, sino en el rectificador. Como se mencionó anteriormente, los diodos modernos no pueden detectar de manera efectiva las frecuencias que corresponden a la luz visible e infrarroja. Por lo tanto, es necesario crear rectificadores que puedan convertir la luz absorbida en una forma útil de energía. Actualmente, los investigadores esperan crear un rectificador que pueda convertir alrededor del 50% de la radiación absorbida por la antena en energía. [10] Un problema importante es mejorar la uniformidad de los parámetros de los diodos y reducir su resistencia abierta. Otra área de investigación es el desarrollo de un proceso para la elaboración de productos de alta calidad para el consumidor masivo. Es necesario seleccionar y probar nuevos materiales que sean adecuados para la tecnología de rodillos.
Otra dirección en el uso de nanoantenas del rango de frecuencia de terahercios es la implementación de redes inalámbricas en un chip (Wireless network-on-chip, WNOC), que sortearán las limitaciones de las redes clásicas en relación con el asincronismo de la señal y el problema de su retrasos, así como proporcionar comunicación entre los componentes del microcircuito a nanoescala y el nivel macro. [12]