Оптическая ректенна — это ректенна ( выпрямляющая тенна ) , работающая с видимым или инфракрасным светом. [1] Ректенна — это цепь, содержащая антенну и диод , которая преобразует электромагнитные волны в электричество постоянного тока . В то время как ректенны уже давно используются для радиоволн или микроволн , оптическая ректенна будет работать таким же образом, но с инфракрасным или видимым светом, превращая его в электричество.
Хотя традиционные (радио- и микроволновые) ректенны по своей сути аналогичны оптическим ректеннам, на практике изготовить оптическую ректенну гораздо сложнее. Одна из проблем заключается в том, что свет имеет настолько высокую частоту (сотни терагерц для видимого света), что лишь несколько типов специализированных диодов могут переключаться достаточно быстро, чтобы выпрямить ее. Другая проблема заключается в том, что антенны, как правило, имеют размер, равный длине волны, поэтому очень маленькая оптическая антенна требует сложного процесса изготовления нанотехнологий . Третья проблема заключается в том, что оптическая антенна, будучи очень маленькой, обычно поглощает очень небольшую мощность и, следовательно, имеет тенденцию создавать небольшое напряжение на диоде, что приводит к низкой нелинейности диода и, следовательно, к низкой эффективности. Из-за этих и других проблем использование оптических ректенн до сих пор ограничивалось лабораторными демонстрациями, обычно с интенсивным сфокусированным лазерным светом, производящим небольшую, но измеримую мощность.
Тем не менее, есть надежда, что массивы оптических ректенн в конечном итоге смогут стать эффективным средством преобразования солнечного света в электроэнергию, производя солнечную энергию более эффективно, чем обычные солнечные элементы . Идея была впервые предложена Робертом Л. Бэйли в 1972 году. [2] По состоянию на 2012 год было построено лишь несколько оптических ректенн, что продемонстрировало лишь возможность преобразования энергии. [3] Неизвестно, будут ли они когда-нибудь такими же экономичными и эффективными, как обычные фотоэлектрические элементы .
Термин « нантенна» (наноантенна) иногда используется для обозначения либо оптической ректенны, либо самой оптической антенны. [4] В 2008 году сообщалось, что Национальные лаборатории Айдахо разработали оптическую антенну для поглощения длин волн в диапазоне 3–15 мкм. [5] Эти длины волн соответствуют энергиям фотонов от 0,4 эВ до 0,08 эВ . Согласно теории антенн, оптическая антенна может эффективно поглощать свет любой длины волны при условии, что размер антенны оптимизирован для этой конкретной длины волны. В идеале антенны должны использоваться для поглощения света с длинами волн от 0,4 до 1,6 мкм , поскольку эти длины волн имеют более высокую энергию, чем дальние инфракрасные области (более длинные волны), и составляют около 85% спектра солнечного излучения [6] (см. Рисунок 1).
Роберт Бейли вместе с Джеймсом К. Флетчером получил в 1973 году патент ( US 3760257 ) на «преобразователь энергии электромагнитных волн». Запатентованное устройство было похоже на современные оптические ректенны. В патенте обсуждается использование диода «типа, описанного [ Али Джаваном ] в IEEE Spectrum, октябрь 1971 г., стр. 91 », для соединения металлического кошачьего уса диаметром 100 нм с металлической поверхностью, покрытой тонким оксидным слоем. . Сообщалось, что Джаван выпрямил инфракрасный свет частотой 58 ТГц. В 1974 году Т. Густавсон и соавторы продемонстрировали, что эти типы устройств могут преобразовывать даже видимый свет в постоянный ток. [7] Элвин М. Маркс получил в 1984 году патент на устройство, в котором явно указано использование субмикронных антенн для прямого преобразования. мощности света в электрическую мощность. [8] Устройство Маркса показало существенное улучшение эффективности по сравнению с устройством Бейли. [9]В 1996 году Гуан Х. Линь сообщил о резонансном поглощении света изготовленной наноструктурой и выпрямлении света с частотами видимого диапазона. [9] В 2002 году компания ITN Energy Systems, Inc. опубликовала отчет о своей работе над оптическими антеннами, соединенными с высокочастотными диодами . ITN намеревалась создать решетку оптических ректенн с однозначной эффективностью. Хотя они и не увенчались успехом, проблемы, связанные с созданием высокоэффективной оптической ректенны, были лучше изучены. [6]