광정류장

Optical rectenna
그림 1태양 스펙트럼의 파장의 스펙트럼 조사 강도.붉은 색 음영 부분은 해수면에서의 방사선 강도를 나타냅니다.대기에 의한 빛의 흡수로 해수면에서의 방사선 조도가 낮아진다.

광직류 안테나는 가시광선 [1]또는 적외선으로 동작하는 정류 안테나(정류 안테나)입니다.리텐나는 안테나와 다이오드를 포함하는 회로로, 전자파를 직류 전기로 변환합니다.직류관은 오랫동안 전파나 전자파에 사용되어 왔지만, 광학 직류관은 적외선이나 가시광선에 의해 같은 방식으로 작동하여 전기로 변합니다.

기존의 (라디오 및 마이크로파) 직장은 근본적으로 광직장과 유사하지만, 실제로는 광직장을 만드는 것이 훨씬 더 어렵다.한 가지 과제는 가시광선의 경우 수백 테라헤르츠라는 높은 주파수를 가지기 때문에 몇 가지 유형의 특수 다이오드만 이를 수정할 수 있을 정도로 빠르게 전환될 수 있다는 것이다.또 다른 과제는 안테나가 파장과 비슷한 크기이기 때문에 매우 작은 광학 안테나는 까다로운 나노 기술 제작 과정을 필요로 한다는 것입니다.세 번째 과제는 광학 안테나가 매우 작기 때문에 일반적으로 매우 적은 전력을 흡수하기 때문에 다이오드에서 작은 전압을 생성하는 경향이 있으며, 이로 인해 다이오드의 비선형성이 낮아져 효율성이 떨어진다는 것입니다.이러한 과제 및 기타 문제로 인해 지금까지 광학식 직장은 실험실 시연에만 한정되어 있으며, 일반적으로 매우 작지만 측정 가능한 양의 전력을 발생시키는 강렬한 집속 레이저 광선을 사용합니다.

그럼에도 불구하고, 광직장 배열이 결국 햇빛을 전기로 변환하는 효율적인 수단이 되어 기존의 태양 전지보다 더 효율적으로 태양 에너지를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.이 아이디어는 1972년 [2]로버트 베일리에 의해 처음 제안되었다.2012년 현재, 소수의 광직류 안테나 장치만 제작되어 에너지 변환이 [3]가능하다는 것을 입증하고 있습니다.그것들이 기존의 태양광 전지만큼 비용 효율이 좋은지, 효율이 좋은지는 알려지지 않았다.

nantenna(나노 안테나)라는 용어는 광직류 안테나 또는 광안테나 자체를 가리킬 때 사용되는 경우가 있습니다.현재 아이다호 국립 연구소는 3 ~ 15 [4]μm 범위의 파장을 흡수하는 광학 안테나를 설계했습니다.이러한 파장은 0.4 eV에서 0.08 eV까지의 광자 에너지에 해당한다.안테나 이론에 근거해, 광학 안테나는, 안테나의 크기가 그 특정 파장에 최적화되어 있는 한, 효율적으로 빛의 파장을 흡수할 수 있다.원적외선(긴 파장)보다 높은 에너지를 가지고 태양 복사 스펙트럼의 약[5] 85%를 차지하기 때문에 0.4~1.6μm 파장의 빛을 흡수하는 데 안테나를 사용하는 것이 이상적이다(그림 1 참조).

역사

로버트 베일리, 제임스 C와 함께요Fletcher, 특허를 받았다.US 3760257)는 1973년에 "전자파 에너지 변환기"에 사용되었습니다.특허받은 이 장치는 오늘날의 광직장과 유사했다.특허는 다이오드 "IEEE Spectrum, October, 1971년 10월, 91페이지"를 사용하여 100 nm 직경의 금속 고양이 수염을 얇은 산화물로 덮인 금속 표면에 하얗게 하는 방법을 논의한다.자바가 58THz의 적외선을 수정한 것으로 보고되었다.1974년 T. Gustafson과 공동 저자들은 이러한 유형의 장치가 가시광선조차 직류[6] 전류인 Alvin M으로 보정할 수 있다는 것을 입증했다. Marks는 1984년 광전력을 [7]전기로 직접 변환하기 위한 서브미크론 안테나의 사용을 명시하는 장치에 대한 특허를 받았다.마크의 장치는 베일리의 [8]장치에 비해 효율이 상당히 향상되었습니다1996년, Gwang H. Lin은 가공된 나노 구조에 의한 공명광 흡수 및 가시 [8]범위 내의 주파수에서의 빛의 정류에 대해 보고했다.2002년에 ITN Energy Systems, Inc.는 고주파 다이오드를 조합한 광학 안테나에 관한 연구 보고서를 발표했습니다.ITN은 한 자릿수 효율의 광렉테나 어레이를 구축하기 시작했습니다.비록 성공하지 못했지만, 고효율 광직류관 구축과 관련된 문제는 더 [5]잘 이해되었습니다.

2015년 바라툰드 A. 조지아공대 콜라의 연구팀은 광학광선을 탄소나노튜브를 [9]이용한 광직류인 DC전류로 변환할 수 있는 태양에너지 수집기를 개발했다.금속 코팅 기판 위에서 성장한 다벽 카본 나노튜브(MWCNT)의 수직 배열은 절연 산화 알루미늄으로 코팅되고 금속 전극층으로 모두 덮였습니다.나노튜브의 작은 치수는 광학 파장을 포착할 수 있는 안테나 역할을 한다.MWCNT는 MIM 터널링 다이오드의 1층으로서도 기능합니다.MWCNT 팁의 직경이 작기 때문에 이 조합은 고주파 광학 복사를 정류할 수 있는 다이오드를 형성합니다.이 장치의 전체 변환 효율은 [9]약 10−5%입니다.그럼에도 불구하고, 광학식 직경 연구는 진행 중이다.

이러한 카본 나노튜브 리텐나 소자의 주요 단점은 공기 안정성의 결여입니다.원래 Cola가 보고한 장치 구조는 MWCNT에 비해 칼슘(2.9eV)의 작업 함수가 낮기 때문에 광학 정류에 필요한 다이오드 비대칭이 발생하기 때문에 반투명 상부 전극으로 칼슘을 사용했다.그러나 금속 칼슘은 공기 중에 매우 불안정하고 빠르게 산화된다.기기 고장을 방지하기 위해 비활성 환경에서 글로브 박스 내에서 측정해야 했다.이러한 제한적인 실용적 장치입니다.

콜라와 그의 팀은 이후 산화물 층이 여러 개 있는 다이오드 구조를 수정함으로써 소자의 불안정성으로 문제를 해결했다.2018년에 효율성 개선과 함께 최초의 안정적인 광 리텐나를 보고했습니다.

이 새로운 세대의 리텐나의 공기 안정성은 다이오드의 양자 터널링 장벽을 조정함으로써 달성되었습니다.단일 유전체 절연체 대신 여러 개의 이종 산화물 층을 사용하면 다이오드 터널링 장벽을 수정하여 다이오드 성능을 향상시킨다는 것을 보여주었다.전자 친화도가 다른 산화물을 이용하는 것으로, 2개의 전극의 작업 기능에 관계없이 비대칭 다이오드 응답을 생성하도록 전자 터널링을 설계할 수 있다.AlO와23 HfO의2 층을 이용하여 작업함수가 낮은 칼슘 없이 다이오드의 비대칭 응답을 10배 이상 향상시킨 이중 절연 다이오드(MIIM)를 구축하였고, 이후 상단 금속을 공기안정성 은으로 대체하였다.

대체 재료 조사, MWCNT 및 절연층 조작을 통해 계면 전도를 촉진하고 구조물 내 저항을 감소시킴으로써 장치 효율을 개선하기 위한 향후 노력이 수행되고 있다.

이론.

광직장의 이면에 있는 이론은 본질적으로 전통적인 (라디오 또는 마이크로파)직장과 동일합니다.안테나의 입사광은 안테나 내의 전자를 입사광과 같은 주파수로 전후로 이동시킵니다.이는 들어오는 전자파의 진동 전계에 의해 발생합니다.전자의 이동은 안테나 회로의 교류(AC)입니다.이를 직류(DC)로 변환하려면 AC를 수리해야 합니다. 일반적으로 이 작업은 다이오드로 수행됩니다.그런 다음 결과 DC 전류를 사용하여 외부 부하에 전력을 공급할 수 있습니다.단순한 마이크로파 안테나 이론에 따르면 안테나의 공진 주파수([5]임피던스가 가장 낮아지고 효율이 가장 높은 주파수)는 안테나의 물리적 치수와 선형으로 스케일링됩니다.태양 스펙트럼의 파장은 약 0.3~[5]2.0μm이다.따라서 정류 안테나가 태양 스펙트럼에서 효율적인 전자기 수집기가 되려면 크기가 수백 nm 정도 되어야 합니다.

그림 3고주파수에서의 피부 효과를 나타내는 이미지.표면의 어두운 영역은 밝은 영역(내부)이 거의 또는 전혀 전자 흐름을 나타내지 않는 전자 흐름을 나타냅니다.

전형적인 정류 안테나 이론에서 사용되는 단순화로 인해 광직류(optical rectenna)에 대해 설명할 때 발생하는 몇 가지 문제가 있습니다.적외선 이상의 주파수에서는 거의 모든 전류가 와이어 표면 근처로 전달되어 와이어의 유효 단면적을 감소시켜 저항을 증가시킨다.이 효과는 "피부 효과"라고도 합니다.순수하게 디바이스의 관점에서 I-V 특성은 옴의 법칙이 일반화 벡터 형태로 여전히 유효하지만 더 이상 오믹하지 않은 것으로 보입니다.

스케일 다운의 또 다른 복잡성은 대규모 직장에 사용되는 다이오드가 큰 [4]전력 손실 없이 THz 주파수로 작동할 수 없다는 것입니다.전력 손실이 큰 것은 5THz [5]미만의 주파수에서만 효과적으로 작동할 수 있는 p-n 접합 다이오드 및 쇼트키 다이오드에 있는 접합 캐패시턴스(기생 캐패시턴스라고도 함)의 결과입니다.0.4~1.6μm의 이상적인 파장은 약 190~750THz의 주파수에 해당하며, 이는 일반적인 다이오드의 기능보다 훨씬 크다.따라서 효율적인 전력 변환을 위해 대체 다이오드를 사용해야 합니다.현재의 광직류 안테나 장치에서는 MIM 터널링 다이오드가 사용된다.숏키 다이오드와 달리, MIM 다이오드는 전자 터널링에 기반하여 작동하기 때문에 기생 캐패시턴스의 영향을 받지 않습니다.이 때문에, MIM 다이오드는 [5]약 150THz의 주파수에서 효과적으로 동작하는 것이 판명되었습니다.

이점

광직장의 가장 큰 장점 중 하나는 높은 이론 효율입니다.단일 접합 태양 전지의 이론적 효율성(30%)과 비교했을 때, 광직장은 상당한 이점을 가지고 있는 것으로 보인다.그러나 두 가지 효율성은 서로 다른 가정을 사용하여 계산됩니다.렉테나 계산에 관련된 가정은 태양열 집열기의 카르노 효율 적용을 기반으로 한다.카르노 효율은 다음과 같습니다.

여기서cold T는 차가운 물체의 온도이고hot T는 따뜻한 물체의 온도이다.효율적인 에너지 변환이 이루어지기 위해서는 두 물체의 온도 차이가 커야 합니다.R. L. Bailey는 직장이 카르노 효율에 의해 제한되는 것이 아니라 광전학이 제한된다고 주장한다.그러나 그는 이 주장에 대해 어떠한 논거도 제시하지 않는다.또한 직장의 이론 효율 85%를 얻기 위해 사용된 동일한 가정을 단일 접합 태양 전지에 적용하면 단일 접합 태양 전지의 이론 효율도 85% 이상이다.

광직류관이 반도체 광전지에 비해 갖는 가장 명백한 장점은 모든 주파수 빛의 흡수를 위해 리테나 어레이를 설계할 수 있다는 것입니다.광학 안테나의 공진 주파수는 길이를 변경하여 선택할 수 있습니다.다른 파장의 빛을 흡수하기 위해서는 다른 밴드 갭이 필요하기 때문에 이것은 반도체 광전지에 비해 유리하다.밴드갭을 변화시키려면 반도체를 합금화하거나 다른 반도체를 함께 [4]사용해야 한다.

제한 및 단점

앞에서 설명한 바와 같이 광직장의 주요 제한 중 하나는 동작 주파수입니다.이상적인 파장 범위에서 빛의 주파수가 높기 때문에 일반적인 숏키 다이오드를 사용할 수 없습니다.MIM 다이오드는 광직류에서 사용할 수 있는 유망한 기능을 보여주지만,[10] 더 높은 주파수에서 효율적으로 작동하려면 더 많은 발전이 필요합니다.

또 다른 단점은 전자빔(e빔) 리소그래피를 사용하여 현재의 광직로를 제작한다는 것입니다.이 공정은 e빔 리소그래피로는 병렬처리가 불가능하기 때문에 속도가 느리고 상대적으로 비용이 많이 든다.일반적으로 e-빔 리소그래피는 최소 피쳐 크기(일반적으로 나노미터 정도)에 매우 미세한 해상도가 필요한 경우에만 연구 목적으로 사용됩니다.그러나, 포토 리소그래피 기술은 수십 나노미터의 최소 피처 사이즈를 가질 수 있는 분야로 발전해, 포토 [10]리소그래피로 직선을 제작할 수 있게 되었다.

생산.

개념 검증이 완료된 후 표준 반도체 집적회로 제작 기법을 사용하여 실험실 규모의 실리콘 웨이퍼를 제작했습니다.E-빔 리소그래피는 루프 안테나 금속 구조의 어레이를 제작하기 위해 사용되었습니다.광안테나는 접지면, 광공진 공동 및 안테나의 3가지 주요 부분으로 구성됩니다.안테나는 전자파를 흡수하고 접지면이 안테나 쪽으로 빛을 반사하는 역할을 하며 광학 공진 공동은 접지면을 [4]통해 빛을 다시 안테나 쪽으로 구부려 집중시킵니다.이 작업에는 다이오드의 생산은 포함되지 않았다.

리소그래피법

아이다호 국립 연구소는 다음 단계를 사용하여 광학 안테나 어레이를 제작했습니다.금속 그라운드 플레인이 베어 실리콘 웨이퍼 위에 퇴적된 후 스패터 퇴적된 비정질 실리콘 층이 형성되었다.퇴적층의 깊이는 파장의 약 4분의 1이었다.얇은 망간막을 금주파수 선택표면과 함께 퇴적시켜 안테나 역할을 했다.레지스트는 전자빔 리소그래피를 통해 도포 및 패턴화되었습니다.금막을 선택적으로 식각하여 레지스트를 제거했습니다.

롤 투 롤 제조

생산규모가 커짐에 따라 전자빔 리소그래피 등의 실험실 처리 공정은 느리고 비용이 많이 든다.따라서 마스터패턴에 기초한 새로운 제조기법을 이용하여 롤투롤 제조방법을 고안하였다.이 마스터 패턴은 저렴한 플렉시블 기판에 정밀 패턴을 기계적으로 스탬핑하여 실험실 처리 단계에서 볼 수 있는 금속 루프 요소를 생성합니다.아이다호 국립 연구소에서 제작한 마스터 템플릿은 8인치 원형 실리콘 웨이퍼 위에 약 100억 개의 안테나 소자로 구성되어 있습니다.이 반자동 프로세스를 사용하여 아이다호 국립 연구소는 4인치 사각 쿠폰을 다수 제작했습니다.이러한 시편을 조합하여 광범위하고 유연한 안테나 어레이를 형성했습니다.이 작업에는 다이오드 부품 생산은 포함되지 않았습니다.

원자층 증착

코네티컷 대학의 연구원들은 선택적 영역 원자층 증착이라고 불리는 기술을 사용하고 있는데, 이것은 그것들을 믿을 수 있고 산업적인 [11]규모로 생산할 수 있다.가시광선과 적외선에 최적인 주파수로 조정하기 위한 연구가 진행 중이다.

광학 안테나의 경제성

광학 안테나(중요한 다이오드 및 기타 부품 제외)는 태양광 발전(효율성이 무시되는 경우)보다 저렴합니다.태양광 발전의 재료와 가공은 비싸지만(현재 전체 태양광 발전 모듈의 비용은 2011년에 430 USD/m2 정도이며 하락하고 있다), Steven Novack은 안테나 재료 자체의 현재 비용을 2008년에 [13]약 5 - 11 USD2/m로 추정한다.[12]적절한 가공 기법과 다양한 재료 선택을 통해, 그는 일단 적절하게 규모를 조정하면 전체 가공 비용이 크게 들지 않을 것으로 추정합니다.그의 시제품은 30 x 61cm의 플라스틱이었는데, 2008년에는 금 함유량이 0.60USD에 불과했으며 알루미늄, 구리 또는 [14]은과 같은 소재로 강등될 가능성이 있었습니다.프로토타입은 익숙한 가공 기술로 인해 실리콘 기판을 사용했지만, 그라운드 평면 재료가 올바르게 접착되는 한 이론적으로 어떤 기판도 사용할 수 있습니다.

향후 연구 및 목표

National Public Radio's Talk of the Nation의 인터뷰에서, 노백 박사는 광직장이 언젠가 자동차의 동력 공급, 휴대폰 충전, 심지어 가정의 냉각에 사용될 수 있다고 주장했다.노백은 이들 중 마지막은 실내에서 사용할 수 있는 적외선 열을 흡수하고 실내를 더 식히는 데 사용할 수 있는 전기를 생산함으로써 작동한다고 주장했다.[15][16]

다이오드를 개선하는 것은 중요한 과제입니다.두 가지 까다로운 요구사항이 있습니다. 속도와 비선형성입니다.첫째, 다이오드는 가시광을 보정하기에 충분한 속도를 가져야 합니다.둘째, 들어오는 빛이 극도로 강하지 않는 한 다이오드는 "역 바이어스 누출"을 방지하기 위해 극도로 비선형(역방향 전류보다 훨씬 높은 전방 전류)이어야 합니다.태양 에너지 수집 평가 결과, 높은 효율성을 얻으려면 다이오드가 1V [17]역바이어스에서 1μA보다 훨씬 낮은 (암흑) 전류를 필요로 하는 것으로 밝혀졌다.이 평가는 (낙관적으로) 안테나가 태양을 직접 가리키는 지향성 안테나 어레이라고 가정했다. 일반적인 실리콘 태양전지처럼 하늘에서 빛을 모으는 직선은 역방향 바이어스 전류를 훨씬 더 낮게 만들어야 한다.(다이오드는 동시에 안테나에 대한 임피던스 매칭과 관련하여 높은 순방향 바이어스 전류를 필요로 합니다.)

고속을 위한 특별한 다이오드(예: 위에서 설명한 금속 절연체-금속 터널 다이오드)와 높은 비선형성을 위한 특별한 다이오드가 있지만 두 가지 측면에서 동시에 뛰어난 다이오드를 찾는 것은 매우 어렵습니다.

카본 나노튜브 기반 리테나의 효율을 향상시키려면:

  • 낮은 작업 기능: 다이오드 비대칭을 최대화하기 위해서는 MWCNT 간에 큰 작업 기능(WF) 차이가 필요합니다.이것에 의해, 광응답 유도에 필요한 온전압이 낮아집니다.카본 나노튜브의 WF는 5 eV, 칼슘 상층의 WF는 2.9 eV로 MIM 다이오드의 총 작업 함수 차이는 2.1 eV입니다.
  • 높은 투명도:MWCNT 안테나에 입사하는 빛이 닿을 수 있도록 상단 전극층이 투명해야 합니다.
  • 낮은 전기 저항:디바이스 전도성을 개선하면 정류된 출력이 증가합니다.그러나 기기 성능에 대한 저항의 다른 영향이 있습니다.안테나와 다이오드 사이의 이상적인 임피던스 매칭은 정류 전력을 향상시킵니다.또한 구조 저항을 낮추면 다이오드 차단 주파수가 증가하여 정류된 빛의 주파수의 유효 대역폭이 향상됩니다.상층부에 칼슘을 사용하려는 현재 시도는 칼슘이 빠르게 산화되기 때문에 높은 저항을 초래합니다.

연구자들은 현재 안테나 흡수량의 약 50%를 [13]에너지로 변환할 수 있는 정류기를 개발하기를 희망하고 있다.또 다른 연구의 초점은 대량 생산으로 공정을 적절히 업그레이드 하는 방법이다.롤 투 롤 제조 공정을 쉽게 준수할 수 있는 새로운 재료를 선택하고 테스트해야 합니다.미래의 목표는 유연한 태양전지를 만들기 위해 유연한 기판 위에 소자를 제조하는 것이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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  17. ^ 렉테나 태양전지, EDModdel과 Grover, 10페이지