Descubren como aprovechar mejor la luz solar directamente convertida en corriente continua mediante una “rectena” óptica de nanotubos de carbono.

El uso de componentes a escala nanométrica, los investigadores han demostrado la primera “rectena“óptica, un dispositivo que combina las funciones de una antena y un diodo rectificador para convertir la luz directamente en corriente DC.

Sobre la base de nanotubos de carbono de paredes múltiples y diminutos rectificadores fabricados en ellos, las rectenas ópticas podrían proporcionar una nueva tecnología para fotodetectores que operarían sin necesidad de refrigeración, recolectores de energía que convertir el calor residual en electricidad y, en última instancia, de una nueva forma de capturar la energía solar de forma eficiente.

Un “rectena“es un dispositivo óptico que convierte luz directamente sin propagación de ondas electromagnéticas en las frecuencias ópticas para dirigir corriente. Esto ya fue propuesto por primera vez hace más de 40 años de forma teórica. Sin embargo esto no se ha podido demostrar hasta ahora debido a los problemas de fabricación.

En los nuevos dispositivos, desarrollado por ingenieros del Instituto de Tecnología de Georgia, los nanotubos de carbono actúan como antenas para captar la luz del sol o de otras fuentes. A medida que 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 encienden y apagan a una velocidad récord de petaherzios, creando una pequeña corriente continua.

Luz solar directamente convertida en corriente continua mediante una rectena óptica de nanotubos de carbono.

Luz solar directamente convertida en corriente continua mediante una rectena óptica de nanotubos de carbono.

Miles de millones de rectenas de una matriz pueden producir corriente significativa, a pesar de la eficacia de los dispositivos demostrado hasta el momento se mantiene por debajo del uno por ciento. Los investigadores esperan impulsar que la salida a través de técnicas de optimización, y creen que una “rectena” óptica con potencial comercial puede estar disponible dentro de un año.

“Podríamos última instancia hacer que las células solares que son dos veces más eficiente a un costo que es diez veces menor, y eso es para mí la oportunidad de cambiar el mundo de una manera muy grande”, dijo Baratunde Cola, profesor asociado en el George W. Escuela Woodruff de Ingeniería Mecánica en Georgia Tech. “Como, detector de alta temperatura resistente, estos rectenas podría ser una tecnología completamente perjudicial si podemos llegar a uno por ciento de eficiencia. Si somos capaces de llegar a una mayor eficiencia, podríamos aplicarlo a las tecnologías de conversión de energía y la captación de energía solar. ”

La investigación, con el apoyo de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), el espacio y la Guerra Naval (SPAWAR) Centro de Sistemas y de la Oficina de Investigación del Ejército (ARO), se publicó el 28 de septiembre en la revista Nature Nanotechnology.

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

El uso de nanotubos de carbono de paredes múltiples metálica y técnicas de fabricación a nanoescala, Cola y sus colaboradores Asha Sharma, Virendra Singh y Thomas Bougher construyen dispositivos que utilizan la naturaleza ondulatoria de la luz en lugar de su naturaleza corpuscular. También utilizaron una larga de pruebas en serie – y más de mil dispositivos – para verificar que las mediciones tanto de corriente y tensión hasta confirmar la existencia de las funciones  de la “rectena” como se habían predicho teóricamente. Los dispositivos funcionarían en un entorno de temperaturas entre 5 y 77 grados Celsius.

La fabricación de los rectennas comienza con el crecimiento de los bosques de nanotubos de carbono alineados verticalmente sobre un sustrato conductor. Usando capas atómicas de deposición mediante vapor químico, los nanotubos se recubren con un material de óxido de aluminio para aislarlos. Por último, mediante la disposición física de vapor se utiliza para asentar capas delgadas ópticamente transparentes de calcio luego con metales de aluminio encima del bosque de nanotubos. La diferencia de las funciones de trabajo entre los nanotubos y el calcio es que proporciona una diferencia de potencial de cerca de dos electrón-voltios, suficiente para conducir los electrones de las antenas de nanotubos de carbono cuando son excitados por la luz.

En funcionamiento, las ondas oscilantes de luz pasan a través del electrodo de calcio-aluminio transparente e interactúan con los nanotubos. Las uniones metal-aislante-metal en las puntas de nanotubos sirven como rectificadores de conexión y desconexión a intervalos de “femtosegundos “(Un femtosegundo es la unidad de tiempo que equivale a la milbillonésima parte de un segundo), permitiendo que los electrones generados por la antena a fluir de una manera en el electrodo superior. Ultra-baja capacidad, del orden de unos pocos “atto-faradios“, permite que el diodo 10 nanómetros de diámetro para funcionar a estas frecuencias excepcionales.

nanotubos de carbono

Estructura de los nanotubos de carbono. Luz solar directamente convertida en corriente continua mediante una rectena óptica de nanotubos de carbono.

Las “rectenas” fabricadas por el grupo de Cola se cultivan en sustratos rígidos, pero la meta es crecer en un papel de aluminio o cualquier otro material que produzca células o fotodetectores solares flexibles.

Cola ve las “rectenas”construidas hasta ahora como prueba sencilla de principios.  Tiene ideas de cómo mejorar la eficiencia cambiando los materiales, la apertura de los nanotubos de carbono para permitir que varios canales de conducción, y la reducción de la resistencia en las estructuras.

“Creemos que podemos reducir la resistencia en varios órdenes de magnitud con sólo mejorar la fabricación de nuestras estructuras de dispositivos”, dijo. “En base a lo que otros han conseguido y lo que la teoría nos está demostrando, creo que estos dispositivos podrían llegar a alcanzar más del 40 por ciento de eficiencia.”

Fuente: GEORGIA TECH

 

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