用超小型天线将光转换成电

2019-08-15 17:43:56 来源: 东莞信息港

  美国乔治亚理工学院(Georgia Tech)的研究者开发出了接收可见光、将其转换成电的整流天线(rectenna)。整流天线是在天线上组合整流用二极管(rectifier),将电磁波转换成直流电的器件。发电原理跟利用半导体pn结的太阳能电池完全不同。

  目前,可见光用整流天线的转换效率还不到1%,但开发者认为,随着今后进一步优化,可以用现有硅类太阳能电池1/10的成本制造转换效率为40%的光伏发电元件。如果这能够实现,世界的能源格局将大幅改变。详细开发成果已刊登在学术杂志《Nature Nanotechnology》上。

  整流天线利用波长为10cm左右的微波可实现高达90%以上的转换效率。对其大幅小型化、以将光转换成电的尝试是从1960年代开始的。不过,当时由于制造技术上的限制,很难制造出波长在10 m长以下的红外线和可见光使用的整流天线。

  此次,美国乔治亚理工学院副教授Baratunde Cola的研究小组作为天线采用金属型多层碳纳米管(CNT)、作为二极管采用MIM(Metal-Insulator-Metal)结构的元件,试制出了可见光用的整流天线。虽然效率低,但可以发电。Cola指出 随着制造技术提高,挑战可见光用整流天线的时机已经成熟 。

  CNT兼作天线和MIM结构二极管的 M

  制造工艺的概要如下。首先,使多层CNT在导电性基板上垂直生长,形成 CNT林 。然后,采用化学气相沉积法(CVD),利用非常薄的氧化铝(Al2O )膜涂布CNT林。,通过溅射在其上形成钙(Ca)和铝(Al)薄膜。

  层叠在CNT林上的材料对可见光全透明,因此一照射光,光就会到达CNT。结果,CNT首先起到拉杆天线的作用。并且,CNT本身、Al2O 层及Ca/Al层会构成MIM结构的二极管。

  由于CNT与Ca的功函数不同,因此电子会由CNT单向流向Ca侧。另外,这种MIM结构的二极管充放电时间常数非常小,具有毫微微秒(秒)的高速响应性。这是完全可以支持可见光频率 几百THz的响应性。因此,制成的元件可作为针对可见光的整流天线使用。

  相关技术已在美国、欧洲、日本和中国申请了专利。

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邓家佳
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