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  • Primera rectenna óptica, rectificador y antena combinados, convierte la luz en corriente continua

    Una rectenna óptica de nanotubos de carbono convierte la luz láser verde en electricidad en el laboratorio de Baratunde Cola en el Instituto de Tecnología de Georgia. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech

    Usando componentes a escala nanométrica, los investigadores han demostrado la primera rectenna óptica, un dispositivo que combina las funciones de una antena y un diodo rectificador para convertir la luz directamente en corriente continua.

    Basado en nanotubos de carbono de paredes múltiples y pequeños rectificadores fabricados en ellos, las rectennas ópticas podrían proporcionar una nueva tecnología para fotodetectores que funcionaría sin necesidad de refrigeración, recolectores de energía que convertirían el calor residual en electricidad y, en última instancia, en una nueva forma de capturar de manera eficiente la energía solar.

    En los nuevos dispositivos, desarrollado por ingenieros del Instituto de Tecnología de Georgia, los nanotubos de carbono actúan como antenas para capturar la luz del sol u otras fuentes. Cuando las ondas de luz golpean las antenas de nanotubos, crean una carga oscilante que se mueve a través de dispositivos rectificadores conectados a ellos. Los rectificadores se encienden y apagan a velocidades récord de petahercios, creando una pequeña corriente continua.

    Miles de millones de rectennas en una matriz pueden producir una corriente significativa, aunque la eficiencia de los dispositivos demostrada hasta ahora se mantiene por debajo del uno por ciento. Los investigadores esperan impulsar ese resultado a través de técnicas de optimización, y cree que una rectenna con potencial comercial puede estar disponible dentro de un año.

    "En última instancia, podríamos fabricar células solares que sean dos veces más eficientes a un costo diez veces menor, y esa es para mí una oportunidad de cambiar el mundo de una manera muy grande ", dijo Baratunde Cola, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff en Georgia Tech. "Como robusto, detector de alta temperatura, estas rectennas podrían ser una tecnología completamente disruptiva si podemos llegar a una eficiencia del uno por ciento. Si podemos lograr mayores eficiencias, podríamos aplicarlo a tecnologías de conversión de energía y captura de energía solar ".

    La investigación, apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), el Centro de Sistemas de Guerra Espacial y Naval (SPAWAR) y la Oficina de Investigación del Ejército (ARO), Está previsto que se publique el 28 de septiembre en la revista. Nanotecnología de la naturaleza .

    Usando componentes a escala nanométrica, los investigadores han demostrado la primera rectenna óptica, un dispositivo que combina las funciones de una antena y un diodo rectificador para convertir la luz directamente en corriente continua. Crédito:Georgia Tech

    Desarrollado en las décadas de 1960 y 1970, rectennas han operado en longitudes de onda tan cortas como diez micrones, pero durante más de 40 años los investigadores han intentado fabricar dispositivos en longitudes de onda ópticas. Hubo muchos desafíos:hacer que las antenas sean lo suficientemente pequeñas para acoplar longitudes de onda ópticas, y fabricar un diodo rectificador coincidente lo suficientemente pequeño y capaz de operar lo suficientemente rápido como para capturar las oscilaciones de las ondas electromagnéticas. Pero el potencial de alta eficiencia y bajo costo mantuvo a los científicos trabajando en la tecnología.

    "La física y los conceptos científicos han estado ahí, ", dijo Cola." Ahora era el momento perfecto para probar algunas cosas nuevas y hacer que un dispositivo funcionara, gracias a los avances en la tecnología de fabricación ".

    Utilizando nanotubos de carbono metálicos de paredes múltiples y técnicas de fabricación a nanoescala, Cola y colaboradores Asha Sharma, Virendra Singh y Thomas Bougher construyeron dispositivos que utilizan la naturaleza ondulatoria de la luz en lugar de su naturaleza de partículas. También utilizaron una larga serie de pruebas, y más de mil dispositivos, para verificar las mediciones de corriente y voltaje para confirmar la existencia de funciones de rectenna que se habían predicho teóricamente. Los dispositivos funcionaron en un rango de temperaturas de 5 a 77 grados Celsius.

    La fabricación de las rectennas comienza con el crecimiento de bosques de nanotubos de carbono alineados verticalmente sobre un sustrato conductor. Usando la deposición de vapor químico de capa atómica, los nanotubos están recubiertos con un material de óxido de aluminio para aislarlos. Finalmente, La deposición física de vapor se utiliza para depositar capas delgadas ópticamente transparentes de calcio y luego metales de aluminio sobre el bosque de nanotubos. La diferencia de funciones de trabajo entre los nanotubos y el calcio proporciona un potencial de aproximadamente dos electronvoltios, suficiente para expulsar electrones de las antenas de nanotubos de carbono cuando son excitados por la luz.

    En la operación, ondas de luz oscilantes pasan a través del electrodo de calcio-aluminio transparente e interactúan con los nanotubos. Las uniones metal-aislante-metal en las puntas de los nanotubos sirven como rectificadores que se encienden y apagan a intervalos de femtosegundos. permitiendo que los electrones generados por la antena fluyan en una dirección hacia el electrodo superior. Capacitancia ultrabaja, del orden de unos pocos attofarads, permite que el diodo de 10 nanómetros de diámetro funcione a estas frecuencias excepcionales.

    El profesor asociado de Georgia Tech, Baratunde Cola, mide la energía producida al convertir la iluminación láser verde en electricidad utilizando la rectenna óptica de nanotubos de carbono. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech

    "Una rectenna es básicamente una antena acoplada a un diodo, pero cuando pasas al espectro óptico, Eso generalmente significa una antena a nanoescala acoplada a un diodo de metal-aislante-metal, "Cola explicó." Cuanto más cerca puedas acercar la antena al diodo, cuanto más eficiente es. Entonces, la estructura ideal usa la antena como uno de los metales en el diodo, que es la estructura que hicimos ".

    Las rectennas fabricadas por el grupo de Cola se cultivan sobre sustratos rígidos, pero el objetivo es cultivarlos en una lámina u otro material que produzca células solares flexibles o fotodetectores.

    Cola ve las rectennas construidas hasta ahora como una simple prueba de principio. Tiene ideas sobre cómo mejorar la eficiencia cambiando los materiales, abrir los nanotubos de carbono para permitir múltiples canales de conducción, y reduciendo la resistencia en las estructuras.

    "Creemos que podemos reducir la resistencia en varios órdenes de magnitud simplemente mejorando la fabricación de las estructuras de nuestros dispositivos, ", dijo." Según lo que otros han hecho y lo que nos muestra la teoría, Creo que estos dispositivos podrían alcanzar una eficiencia superior al 40 por ciento ".


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