Nantenna (nantenne)


Een nantenna ( n ano antenne ) is een nanoscopische antenne . Nantennas kunnen nuttig zijn voor het omzetten van zonnestraling in elektriciteit, het idee werd voor het eerst voorgesteld door Robert L. Bailey in 1972. Met ingang van juni 2011, zijn nantenna toestellen nog niet commercieel beschikbaar, en het is niet bekend of ze ooit net zo rendabel als fotovoltaïsche cellen zullen zijn.
Een nantenna is een elektromagnetische collector ontworpen om aan specifieke golflengtes die in verhouding staan tot de grootte van de nantenna te absorberen. Op dit moment heeft Idaho National Laboratories een nantenna ontworpen om golflengten te absorberen in de range van 3-15 um. Deze golflengtes komen overeen met foton energieën van 0,08-0,4 eV. Op basis van antenne-theorie kan een nantenna absorberen golflengte van het licht efficiënt op voorwaarde dat de grootte van de nantenna is geoptimaliseerd voor die specifieke golflengte. Idealiter zou nantennas gebruikt worden om licht te absorberen bij een golflengte van 0.4-1.6 um, omdat deze golflengtes hebben een hogere energie dan ver-infrarood (langere golflengten) en vul ongeveer 85% van de zonnestraling spectrum.

Inhoud

1 Geschiedenis van de nantennas
2 Theorie van nantennas
3 Voordelen van nantennas
4 Beperkingen en nadelen van nantennas
5 Productie van een nantenna
5.1 Lithografie methode
5.2 Roll-to-roll productie
6 Proof of principle
7 Economie van nantennas
8 Toekomstig onderzoek en doelen
9 Referenties

Geschiedenis van nantennas
Robert Bailey, samen met James C. Fletcher, kreeg een patent in 1973 voor een "elektromagnetische golf converter". De gepatenteerde apparaat is vergelijkbaar met de moderne dag nantenna apparaten. Alvin M. Marks kreeg een patent in 1984 voor een apparaat expliciet met vermelding van het gebruik van sub-micron antennes voor de directe omzetting van licht macht om elektrisch vermogen. Marks het apparaat van aanzienlijke verbeteringen in de efficiëntie bleek dat meer dan het apparaat Bailey's. In 1996, Guang H. Lin was de eerste die resonante absorptie van licht rapport van een verzonnen nanostructuur en rectificatie van het licht met frequenties in het zichtbare gebied. In 2002, ITN Energy Systems, Inc publiceerde een rapport over hun werk op optische antennes in combinatie met een hoge frequentie diodes . ITN ingesteld naar een nantenna reeks op te bouwen met single digit efficiency. Hoewel ze waren niet succesvol, de kwesties in verband met het opbouwen van een hoog rendement nantenna waren beter begrepen. Onderzoek op nantennas de gang is.

Theorie van nantennas
De theorie achter nantennas is in wezen hetzelfde voor rectificatie antennes . Invallend licht op de antenne zorgt ervoor elektronen in de antenne om heen en weer bewegen op dezelfde frequentie als het binnenkomende licht. Dit wordt veroorzaakt door de oscillerende elektrische veld van de inkomende elektromagnetische golf. De beweging van elektronen is een wisselstroom in de antenne circuit. Om te zetten dit in gelijkstroom , de AC moet worden rechtgezet, die doorgaans wordt gedaan met een soort diode . De resulterende DC stroom kan vervolgens worden gebruikt voor het aandrijven van een externe belasting. De resonantiefrequentie van antennes (frequentie, waardoor in de laagste impedantie en dus hoogste rendement) schalen lineair met de fysieke afmetingen van de antenne volgens eenvoudige magnetron antenne theorie. De golflengten in het zonnespectrum bereik van ongeveer 0.3-2.0 um. Dus, om voor een rectificatie antenne moet een efficiënt elektromagnetisch collector in de zonne-spectrum, het moet worden in de orde van honderden nm in grootte.


Door de vereenvoudigingen die in typische verhelpen antenne theorie, zijn er verschillende complicaties die ontstaan ??bij de bespreking van nantennas. Bij frequenties boven infrarood, is bijna alle van de huidige plaats in de buurt van het oppervlak van de draad die de effectieve dwarsdoorsnede van de draad vermindert, wat leidt tot een toename van de weerstand. Dit effect is ook bekend als de " skin effect ". Vanuit een puur apparaat perspectief zou de IV karakteristieken lijken niet langer ohmse, ook al is de wet van Ohm nog steeds geldig is.
Een andere complicatie van schaalvergroting is bepaald dat diodes gebruikt in de grotere schaal rectennas niet kan op THz-frequenties werken zonder groot verlies aan de macht. Het grote verlies aan de macht is een gevolg van de splitsing capaciteit (ook bekend als parasitaire capaciteit) gevonden in pn junctie diodes en Schottky diodes, die alleen effectief kan werken op frequenties minder dan 5 THz. De ideale golflengten van 0,4-1,6 micrometer overeen met de frequenties van ongeveer 190 tot 750 THz, die is veel groter dan de mogelijkheden van de typische diodes. Daarom alternatief diodes moeten worden gebruikt voor een efficiënte krachtoverbrenging conversie. In de huidige nantenna apparaten zijn metaal-isolator-metaal (MIM) tunneling diodes gebruikt. In tegenstelling tot de Schottky diodes, zijn MIM diodes niet beïnvloed door parasitaire capaciteiten, omdat ze werken op basis van het electron tunneling. Vanwege dit, zijn MIM diodes is aangetoond dat effectief te werken op frequenties rond de 150 THz.

Voordelen van nantennas
Een van de grootste geclaimde voordelen van nantennas is hun hoge theoretische efficiëntie. In vergelijking met de theoretische efficiëntie van enkele zonnecellen (30%), nantennas blijken een significant voordeel te hebben. Echter, de beide rendementen berekend op basis van verschillende veronderstellingen. De veronderstellingen die betrokken zijn bij de nantenna berekening zijn gebaseerd op de toepassing van het Carnot-rendement van zonnecollectoren. De Carnotrendement , ?, wordt gegeven door

waarbij T koude is de temperatuur van de koeler lichaam en T heet is de temperatuur van het warme lichaam. Met het oog op een efficiënte omzetting van energie zijn, moet het temperatuurverschil tussen de twee instanties aanzienlijk zijn. RL Bailey beweert dat nantennas niet worden beperkt door Carnotrendement, terwijl de zonne-energie zijn. Toch heeft hij geen enkele argument voor deze bewering. Bovendien, als dezelfde aannames gebruikt worden om de 85% theoretisch rendement te verkrijgen voor nantennas worden toegepast op enkele zonnecellen, de theoretische efficiëntie van enkele zonnecellen is ook groter dan 85%.
De meest duidelijke voordeel nantennas hebben meer dan halfgeleider fotovoltaïsche zonne-energie is dat nantenna arrays kunnen worden ontworpen om een frequentie van het licht absorberen. De resonantiefrequentie van een nantenna kan worden geselecteerd door het variëren van de lengte. Dit is een voordeel ten opzichte van halfgeleiders fotovoltaïsche zonne-energie, want om te absorberen verschillende golflengten van het licht, zijn andere band gaten nodig. Om de band gap variëren, dient de halfgeleider worden gelegeerd of een andere halfgeleider moet helemaal worden gebruikt.

Beperkingen en nadelen van nantennas
Zoals eerder vermeld, een van de belangrijkste beperkingen van nantennas is de frequentie waarin zij opereren. De hoge frequentie van het licht in het ideale bereik van golflengten maakt het gebruik van typische Schottky diodes onpraktisch. Hoewel de MIM diodes veelbelovende eigenschappen voor gebruik in nantennas, meer vooruitgang nodig zijn om efficiënt te werken bij hogere frequenties.
Een ander nadeel is dat de huidige nantennas worden geproduceerd gebruikmakend van een elektronenstraal (e-beam) lithografie. Dit proces is traag en relatief duur omdat de parallelle verwerking is niet mogelijk met e-beam lithografie. Typisch, is e-beam lithografie alleen gebruikt voor onderzoeksdoeleinden als uiterst fijne resoluties nodig zijn voor minimaal feature size (meestal in de orde van nanometers). Echter, fotolithografische technieken gevorderd waar het mogelijk is om minimum functie maten hebben op de orde van tientallen nanometers, waardoor het mogelijk is om nantennas produceren door middel van fotolithografie.

De productie van een nantenna
Na de proof of concept werd voltooid, werden op laboratoriumschaal silicon wafers vervaardigd met behulp van standaard halfgeleiders geïntegreerde schakeling fabricage technieken. E-beam lithografie werd gebruikt om de arrays van raamantenne metalen structuren te fabriceren. De nantenna bestaat uit drie hoofdonderdelen: het grondvlak, de optische resonantie holte, en de antenne. De antenne vangt de elektromagnetische golven, het maaiveld handelingen na te denken het licht terug naar de antenne, en de optische resonantie holte bochten en concentreert het licht terug naar de antenne via het grondvlak.

Lithography methode
Idaho National Labs gebruikt de volgende stappen uit om hun nantenna arrays fabriceren. Een metalen grondvlak werd gedeponeerd op een kale silicium wafer, gevolgd door een sputter gestort amorf silicium laag. De diepte van de afgezette laag was ongeveer een kwart van een golflengte. Een dunne film mangaan samen met een gouden frequentie selectieve oppervlak (tot wilde frequentie filter) werd gestort op te treden als de antenne. Weerstaan ??werd toegepast en patroon via electron beam lithografie. Het goud film was selectief geëtst en het weerstaan ??werd verwijderd.

Roll-to-roll productie
Bij het verplaatsen naar een grotere productie schaal, laboratorium bewerkingsstappen, zoals het gebruik van e-beam lithografie zijn traag en duur. Daarom is een roll-to-roll productie methode werd bedacht met een nieuwe productie-techniek op basis van een master-patroon. Deze meester patroon in feite mechanisch "stempels" de precisie patroon op een goedkoop flexibel substraat en daarmee schept de metalen lus elementen te zien in het laboratorium processtappen. De master template vervaardigd door Idaho National Laboratories bestaat uit ongeveer 10 miljard antenne-elementen op een 8-inch ronde silicium wafer. Met behulp van deze semi-geautomatiseerde proces heeft Idaho National Labs produceerde een aantal van 4-inch vierkante coupons. Deze coupons werden gecombineerd tot een breed flexibel vel nantenna arrays te vormen.

Proof of principle
De proof of principle voor nantennas begon met een 1 cm 2 silicium substraat met de bedrukte nantenna reeks het vullen van de ruimte. Het apparaat werd getest met behulp van infrarood licht met een bereik van 3 tot 15 micron. De piek emissiviteit blijkt te zijn gecentreerd op 6,5 micron en bereikt een emissiviteit van een. Een emissiviteit van 1 betekent dat de nantenna absorbeert alle van de fotonen van een bepaalde golflengte (in dit geval 6,5 micron) die incident op het apparaat. Vergelijking van de experimentele spectrum om de gemodelleerde spectrum, de experimentele resultaten zijn in overeenstemming met de theoretische verwachtingen (figuur 5). In sommige gebieden, de nantenna hadden een lagere emissiviteit dan de theoretische verwachtingen, maar in andere gebieden, namelijk op ongeveer 3,5 micron, het toestel meer licht geabsorbeerd dan verwacht.
Na een proof of concept op een stijve silicium substraat, werd het experiment herhaald op een flexibel polymeer gebaseerde ondergrond. De doelgroep golflengte voor de flexibele ondergrond werd ingesteld op 10 micron. Eerste tests laten zien dat de nantenna ontwerp kan worden vertaald naar een polymeer substraat, maar verdere experimenten zijn nodig om volledig te optimaliseren van de eigenschappen.

Economie van nantennas
Nantennas zijn goedkoper dan zonne-energie. Terwijl de materialen en de verwerking van fotovoltaïsche dierbaar zijn (op dit moment de kosten voor een volledige fotovoltaïsche modules is in de orde van $ 40 per vierkante meter en dalende), Steven Novack schat de huidige kosten van de nantenna materiaal zelf als ongeveer vijftig cent tot een dollar per vierkante meter. Met de juiste technieken en verschillende materialen selectie, hij schat dat de totale kosten van de verwerking een keer, goed opgeschaald, zal niet veel meer kosten. Zijn prototype was een een voet van twee voet plaat van kunststof, waarvan slechts 60 cent van goud bevatte, met de mogelijkheid van te downgraden naar een materiaal, zoals aluminium, koper of zilver. Het prototype gebruik gemaakt van een silicium substraat als gevolg van bekende technieken, maar elke ondergrond kunnen theoretisch worden gebruikt zolang het grondvlak materiaal hecht goed.

Toekomstig onderzoek en doelen
In een interview op Talk National Public Radio's van de Natie, dr. Novak beweerde dat nantennas op een dag kunnen worden gebruikt voor het aandrijven auto, lading mobiele telefoons, en zelfs koelen van woningen. Novak beweert dat de laatste van deze werken door zowel het absorberen van de infrarood warmte in de kamer en de productie van elektriciteit, die kunnen worden gebruikt om verder te koelen van de ruimte.
Momenteel is het grootste probleem is niet met de antenne-apparaat, maar met de gelijkrichter. Zoals eerder vermeld, de hedendaagse diodes niet in staat zijn om efficiënt te herstellen bij frequenties die overeenstemmen met de high-infrarood en zichtbaar licht. Daarom moet er een gelijkrichter worden ontworpen die goed kan de geabsorbeerde licht om in bruikbare energie draaien. Onderzoekers op dit moment hopen op een gelijkrichter, die ongeveer 50% van de absorptie van de antenne's kunnen omzetten in energie op te wekken. Een ander aandachtspunt van het onderzoek zal worden hoe goed het proces te upscalen naar de massa-markt productie. Nieuwe materialen zal moeten worden gekozen en getest die gemakkelijk zal voldoen aan een roll-to-roll productie proces.