Het onderzoeksteam dat in 2015 de eerste optische rectenna aankondigde, meldt nu een tweevoudige efficiëntieverbetering in de apparaten - en een overstap naar luchtstabiele diodematerialen. Door de verbeteringen kunnen de rectenna's - die elektromagnetische velden bij optische frequenties direct omzetten in elektrische stroom - apparaten met een laag vermogen, zoals temperatuursensoren, bedienen.

uiteindelijk, de onderzoekers geloven dat hun apparaatontwerp - een combinatie van een koolstofnanobuisantenne en diodegelijkrichter - zou kunnen concurreren met conventionele fotovoltaïsche technologieën voor het produceren van elektriciteit uit zonlicht en andere bronnen. Dezelfde technologie die in de rectenna's wordt gebruikt, kan thermische energie ook direct omzetten in elektriciteit.

"Dit werk is een belangrijke sprong voorwaarts in zowel fundamenteel begrip als praktische efficiëntie voor het optische rectenna-apparaat, " zei Baratunde Cola, een universitair hoofddocent aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Het stelt deze technologie open voor veel meer onderzoekers die met ons de krachten kunnen bundelen om de optische rectenna-technologie vooruit te helpen om een ​​reeks toepassingen mogelijk te maken, inclusief ruimtevlucht."

Het onderzoek wordt op 26 januari gerapporteerd in het tijdschrift Geavanceerde elektronische materialen . Het werk is ondersteund door het onderzoeksbureau van het Amerikaanse leger in het kader van het Young Investigator-programma, en door de National Science Foundation.

Optische rectenna's werken door het elektromagnetische veld van het licht te koppelen aan een antenne, in dit geval een array van meerwandige koolstofnanobuisjes waarvan de uiteinden zijn geopend. Het elektromagnetische veld veroorzaakt een trilling in de antenne, waardoor een afwisselende stroom van elektronen ontstaat. Wanneer de elektronenstroom een ​​piek bereikt aan het ene uiteinde van de antenne, de diode sluit, het vangen van de elektronen, gaat dan weer open om de volgende trilling vast te leggen, het creëren van een stroom.

Het schakelen moet plaatsvinden op terahertz-frequenties om bij het licht te passen. De verbinding tussen de antenne en de diode moet een minimale weerstand bieden aan elektronen die er doorheen stromen terwijl ze open zijn, maar voorkom lekkage in gesloten toestand.

"De naam van het spel is het maximaliseren van het aantal elektronen dat opgewonden raakt in de koolstofnanobuis, en dan een schakelaar hebben die snel genoeg is om ze op hun hoogtepunt te vangen, " Cola legde uit. "Hoe sneller je schakelt, hoe meer elektronen je aan één kant van de oscillatie kunt vangen."

Om een ​​lage werkfunctie te bieden - gemak van elektronenstroom - gebruikten de onderzoekers aanvankelijk calcium als het metaal in hun oxide-isolator - metaaldiode-overgang. Maar calcium breekt snel af in de lucht, wat betekent dat het apparaat tijdens gebruik moest worden ingekapseld - en in een handschoenenkastje moest worden gefabriceerd. Dat maakte de optische rectenna zowel onpraktisch voor de meeste toepassingen als moeilijk te fabriceren.

Dus cola, NSF Graduate Research Fellow Erik Anderson en onderzoeksingenieur Thomas Bougher vervingen het calcium door aluminium en probeerden een verscheidenheid aan oxidematerialen op de koolstofnanobuisjes voordat ze zich vestigden op een dubbellaags materiaal bestaande uit aluminiumoxide (Al2O3) en hafniumdioxide (HfO2). De combinatiecoating voor de koolstofnanobuisverbinding, gecreëerd door een atomair depositieproces, biedt de kwantummechanische elektronentunneleigenschappen die nodig zijn door de elektronische eigenschappen van het oxide te construeren in plaats van de metalen, waardoor luchtstabiele metalen met hogere werkfuncties dan calcium kunnen worden gebruikt.

Rectenna's die met de nieuwe combinatie zijn vervaardigd, zijn een jaar lang functioneel gebleven. Andere metaaloxiden kunnen ook worden gebruikt, zei Cola.

De onderzoekers ontwierpen ook de helling van de heuvel waar de elektronen tijdens het tunnelproces naar beneden vallen. Dat hielp ook de efficiëntie te verhogen, en maakt het gebruik van een verscheidenheid aan oxidematerialen mogelijk. Het nieuwe ontwerp verhoogde ook de asymmetrie van de diodes, wat de efficiëntie ten goede kwam.

"Door te werken met de oxide-elektronenaffiniteit, we waren in staat om de asymmetrie met meer dan tien keer te vergroten, waardoor dit diodeontwerp aantrekkelijker wordt, "zei Cola. "Dat is echt waar we de efficiëntiewinst hebben behaald in deze nieuwe versie van het apparaat."

Optische rectenna's zouden theoretisch kunnen concurreren met fotovoltaïsche materialen voor het omzetten van zonlicht in elektriciteit. PV-materialen werken volgens een ander principe, waarin fotonen elektronen van de atomen van bepaalde materialen afstoten. De elektronen worden verzameld in elektrische stroom.

In september 2015 in het tijdschrift Nature Nanotechnology, Cola en Bougher rapporteerden de eerste optische rectenna - een apparaat dat theoretisch al meer dan 40 jaar werd voorgesteld, maar nooit aangetoond.

De vroege versie die in het tijdschrift wordt gerapporteerd, produceerde stroom op microvolt-niveaus. De rectenna produceert nu vermogen in het millivoltbereik en de conversie-efficiëntie is van 10 (-5) naar 10 (-3) gegaan - nog steeds erg laag, maar een aanzienlijke winst.

"Hoewel er nog ruimte is voor aanzienlijke verbetering, dit plaatst de spanning in het bereik waar je optische rectenna's kunt zien die sensoren met laag vermogen bedienen, " Cola zei. "Er zijn veel stappen in de apparaatgeometrie die je zou kunnen nemen om iets nuttigs te doen met de optische rectenna vandaag de dag in spanningsgestuurde apparaten die geen significante stroom nodig hebben."

Cola gelooft dat de rectenna's nuttig kunnen zijn voor het aandrijven van internet of things-apparaten, vooral als ze kunnen worden gebruikt om elektriciteit te produceren uit weggevangen thermische energie. Voor het omzetten van warmte in elektriciteit, het principe is hetzelfde als voor licht:het opvangen van oscillaties in een veld met de breedband koolstofnanobuisantenne.

"Mensen zijn enthousiast over thermo-elektrische generatoren, maar er zijn veel beperkingen om een ​​systeem te krijgen dat effectief werkt, " zei hij. "Wij geloven dat de rectenna-technologie de beste benadering zal zijn om op een economische manier warmte te oogsten."

Bij toekomstig werk, het onderzoeksteam hoopt de werking van de antenne te optimaliseren, en hun theoretisch begrip van hoe de rectenna werkt te verbeteren, verdere optimalisatie mogelijk maken. Op een dag, Cola hoopt dat de apparaten de ruimtevaart zullen helpen versnellen, energie produceren voor elektrische stuwraketten die ruimtevaartuigen zullen stimuleren.

"Ons eindspel is om optische rectenna's van koolstofnanobuizen te zien werken op Mars en in het ruimtevaartuig dat ons naar Mars brengt, " hij zei.