Оптическая ректенна вытеснит солнечные ячейки

Принципиально иной подход к преобразованию света в электричество предлагает концепция оптических ректенн, или по другому нанотенн(наноантенн). В них не будет p-n переходов с их запрещёнными зонами, и по стоимости материалов, нанотенны будут в 50-70 раз дешевле. КПД увеличиться до фантастических 80-85%, т.е. из  альтернативного источника в ясный солнечный день, с 1м² можно будет получать более 1 кВт электроэнергии.

Базовые знания о наноантенне

Легче всего представить принцип работы оптических ректенн, при сравнении их с обычными радио- и телеантеннами. О том, что радиоволны могут заставить светиться лампочку без подключения к электросети, знают те, кто живёт рядом с радио- и телевышками. Т.е. энергия в диапазоне радиоволн, может быть уловлена и преобразована в электрический ток. А видимый свет, это такое же электромагнитное излучение, только с другими характеристиками.

Так же, как откликается обычная РЧ-антенна на электромагнитную волну, наноантенна реагирует на видимый свет и ИК-излучение. Индуцированный переменный ток, который образуется на поверхности антенны, взаимодействует с падающей волной и колеблется с ней на той же частоте. Отражающая подложка в антенне может помочь в сборе солнечной энергии, а затем происходит вырабатывание мощности постоянного тока путем выпрямления колебательного переменного тока с помощью специального диодного выпрямителя.

Но в РЧ-антенне, металлическая конструкция имеет идеальную электропроводимость. Работа нанотенн основана на оптическом и инфракрасном диапазоне электромагнитного излучения. В этом случае, металлы уже не являются идеальными проводниками.

Поэтому для наноантенн используют массивы вертикально ориентированных нанотрубок их графена. Но тут вмешиваются характеристики этих электромагнитных колебаний. Ведь для видимого света, частота характеризуется тераГерцовыми цифрами, т.е. почти в миллион раз выше, чем радиоволны. Чтобы преобразовать такие колебания в постоянный ток, требуется принципиально новые диоды. Да ещё их размеры должны быть сопоставимы с параметрами оптических ректенн.

Сравнение оптических ректенн с фотоэлементами

Каждый фотон в полупроводниковых солнечных элементах генерирует экситон (электронно-дырочную пару) которая и формирует электрический ток. Однако устройство поглощает только те фотоны, энергия которых выше энергии запрещенной зоны. Это ограничивает эффективность преобразования до 44%, а в реальных устройствах гораздо меньше.

С другой стороны, классические выпрямители получают электромагнитную энергию и преобразуют ее в постоянный ток с эффективностью достигающей 100%. Солнечные ректенны предназначены для работы аналогичным образом с перспективой получения очень высокой эффективности в широком диапазоне электромагнитного спектра. Область оптических ректенн представляется перспективной и привлекательной из-за того, что теоретически достижима 100% эффективность, а используемый материал недорог и доступен. Преимущество нанотенн можно сформулировать так:

•   Оптические ректенны могут достигать более высокой эффективности, чем солнечные элементы, при себестоимости 3-5 евро/м²;
•   Материал нанотенн широко доступен в виде тонких пленок, и процесс изготовления является недорогим по сравнению с обычными солнечными элементами;
•   Суточная эффективность оптических ректенн превышает показатели  фотоэлектрических устройств, т.е. они более универсальны;
• Альтернативные формы инфракрасного излучения, такие как отработанное тепло, также могут быть уловлены оптическими ректеннами, т.е. их можно прикрепить на стены внутри квартиры, чтобы генерировать электроэнергию.

Однако технология оптических ректенн еще молода, и исследования проходят в лабораторных условиях. Хотя в некоторых исследовательских центрах уже изготовлены опытные образцы, учёные сталкивается с многочисленными проблемами и ограничениями.

Самые большие трудности связаны с преобразованием видимого света в постоянный ток, ведь скорость работы диодов определяется фемтосекундными интервалами. Для достижения максимальной эффективности, надо согласовать сопротивление нанотенн и диодов, чтобы обеспечить полную передачу мощности. А ток утечки диода должен составлять всего 1 микроАмпер, что довольно сложно.

Перспективы взрывного наполнения рынка альтернативной энергетики

По мнению ведущих разработчиков нанотенн, существующие ограничения должны быть преодолены в ближайшие 1-3 года. Учитывая низкую себестоимость таких генераторов, их выход на рынок альтернативной энергетики будет взрывным. Буквально в течении 1-2 лет, они полностью вытеснять солнечные панели и другие генераторы из сегмента возобновляемой энергетики.

Схема ректенны

схема 1. представляет собой репрезентативный вид схематически иллюстрирующий принципы работы изобретения;

Схема 2. представляет собой перспективную диаграмму, иллюстрирующую, в частности, вариант осуществления изобретения приспособлено для преобразования солнечной энергии в электрическую;

Схема 3. это вид бокового сечения варианта исполнения, проиллюстрированного на схеме 2.

Графеновая подложка

(а) Графеновая оптическая антенная модель, возбуждаемая лазерными лучами;

(b) вид поперечного сечения вкраплений графена со световым смещением;

(c) повышение усредненных оптических полей против частот, где серебряная антенная решетка на графеновом листе имеет лучший коэффициент усиления и распределение электрического поля в точке контакта.

Графеновый приёмник ЭМ излучения

(а) конструкция графенового антенного фотоприемного устройства, соединенного с внешними электродами;

(b) двумерный полярный график, показывающий величину фототока и поляризационную изотропию фототока

(с) внешняя квантовая эффективность и фотоответ по отношению к мощности, изображая линейный отклик на смещение;

(d) спектры конечно-разностной временной области (FDTD) от моделирования и спектры флуоресценции, которые показывают поляризационную зависимость люминесценции из золотой антенны.