Antenne redresseuse optique

Robert Bailey, avec James C. Fletcher, a reçu un brevet (Brevet US 3760257 ) en 1973 pour un « convertisseur d'énergie des ondes électromagnétiques ». Le dispositif breveté était similaire aux antennes redresseuses optiques modernes. Le brevet traite de l'utilisation d'une diode « du type décrit par [Ali Javan] dans l'IEEE Spectrum, octobre 1971, page 91 », à savoir un détecteur à cristal (une diode à pointe primitive) métallique de 100 nm de diamètre sur une surface métallique recouverte d'une fine couche d'oxyde. Javan aurait redressé de lumière infrarouge de 58 THz. En 1974, T. Gustafson et ses coauteurs ont démontré que ces types d'appareils pouvaient redresser même la lumière visible en courant continu^[7]. Alvin M. Marks a reçu un brevet en 1984 pour un appareil indiquant explicitement l'utilisation d'antennes submicroniques pour la conversion directe de la puissance lumineuse à la puissance électrique^[8]. L'appareil de Marks a montré des améliorations substantielles de l'efficacité par rapport à l'appareil de Bailey^[9]. En 1996, Guang H. Lin a rapporté l'absorption de la lumière résonnante par une nanostructure fabriquée et le redressement de la lumière avec des fréquences dans le spectre visible^[9]. En 2002, ITN Energy Systems, Inc. a publié un rapport sur ses travaux sur les antennes optiques couplées à des diodes haute fréquence. ITN a entrepris de construire un réseau d'antennes redresseuses optiques avec une efficacité à un chiffre. Bien qu'ils aient échoué, les problèmes associés à la construction d'une antenne redresseuse optique à haut rendement ont été mieux compris^[6].

En 2015, l'équipe de recherche de Baratunde A. Cola (en) au Georgia Institute of Technology a développé un collecteur d'énergie solaire capable de convertir la lumière optique en courant continu, une antenne redresseuse optique utilisant des nanotubes de carbone^[10]. Des réseaux verticaux de nanotubes de carbone multi-feuillets (MWCNT) cultivés sur des substrats revêtus de métal ont été recouverts d'oxyde d'aluminium isolant et entièrement recouverts d'une couche d'électrode métallique. Les petites dimensions des nanotubes agissent comme des antennes, capables de capter des longueurs d'onde optiques. Les MWCNT se doublent également d'une couche de diode à effet tunnel métal-isolant-métal (en) (MIM). En raison du petit diamètre des pointes des MWCNT, cette combinaison forme une diode capable de redresser le rayonnement optique à haute fréquence. L'efficacité de conversion globale obtenue de cet appareil est d'environ 10 ^{− 5} %^[10]. Néanmoins, la recherche sur les antennes redresseuses optiques se poursuit.

Le principal inconvénient de ces dispositifs redresseurs à nanotubes de carbone est un manque de stabilité à l'air. La structure de l'appareil annoncée à l'origine par Cola utilisait du calcium comme électrode supérieure semi-transparente car le faible travail de sortie du calcium (2,9 eV) par rapport aux MWCNT (~ 5 eV) crée l'asymétrie de diode nécessaire au redressement optique. Cependant, le calcium métallique est très instable dans l'air et s'oxyde rapidement. Les mesures devaient être effectuées dans une boîte à gants sous un environnement inerte pour éviter la destruction du dispositif. Cela limitait les applications pratiques des dispositifs.

Cola et son équipe ont ensuite résolu les problèmes d'instabilité de l'appareil en modifiant la structure de la diode avec plusieurs couches d'oxyde. En 2018, ils ont annoncé la première antenne redresseuse optique stable à l'air ainsi que des améliorations d'efficacité.

La stabilité à l'air de cette nouvelle génération d'antennes redresseuses a été obtenue en adaptant la barrière à effet tunnel quantique de la diode. Au lieu d'un seul isolant diélectrique, ils ont montré que l'utilisation de plusieurs couches d'oxyde dissemblables améliore les performances de la diode en modifiant la barrière à effet tunnel de la diode. En utilisant des oxydes avec différentes affinités électroniques, l'effet tunnel d'électrons peut être conçu pour produire une réponse de diode asymétrique quelle que soit le travail de sortie des deux électrodes. En utilisant des couches d'Al₂O₃ et de HfO₂, une diode à double isolant (métal-isolant-isolant-métal, MIIM) a été construite et a amélioré la réponse asymétrique de la diode de plus de 10 fois sans avoir besoin de calcium à faible travail de sortie, et le métal supérieur a ensuite été remplacé par de l'argent stable à l'air.

Des efforts futurs ont été entrepris pour améliorer l'efficacité du dispositif en étudiant des matériaux alternatifs, en manipulant les MWCNT et les couches isolantes pour encourager la conduction à l'interface et réduire les résistances au sein de la structure.

La théorie derrière les antennes redresseuses optiques est la même que pour les antennes redresseuses traditionnelles (radio ou micro-ondes). La lumière incidente sur l'antenne fait aller et venir les électrons de l'antenne à la même fréquence que la lumière entrante. Ceci est causé par le champ électrique oscillant de l'onde électromagnétique entrante. Le mouvement des électrons est un courant alternatif dans le circuit d'antenne. Pour être converti en courant continu, ce courant alternatif doit être redressé, ce qui se fait généralement avec une diode. Le courant continu résultant peut ensuite être utilisé pour alimenter une charge externe. La fréquence de résonance des antennes (fréquence qui se traduit par la plus faible impédance et donc la plus grande efficacité) évolue linéairement avec les dimensions physiques de l'antenne selon la théorie simple des antennes micro-ondes^[6]. Les longueurs d'onde du spectre solaire vont d'environ 0,3 à 2,0 μm^[6]. Ainsi, pour qu'une antenne redresseuse soit un collecteur électromagnétique efficace dans le spectre solaire, elle doit avoir une taille de l'ordre de centaines de nm.

En raison des simplifications utilisées dans la théorie typique des antennes redresseuses, plusieurs complications surviennent lors de la conception des antennes redresseuses optiques. Aux fréquences supérieures à l'infrarouge, presque tout le courant est transporté près de la surface du fil, ce qui réduit la section transversale efficace du fil, entraînant une augmentation de la résistance : c'est l'effet de peau. D'un point de vue purement périphérique, les caractéristiques ne sembleraient plus ohmiques, même si la loi d'Ohm, dans sa forme vectorielle généralisée, est toujours valable.

Une autre complication de la réduction d'échelle est que les diodes utilisées dans les antennes redresseuses à plus grande échelle ne peuvent pas fonctionner à des fréquences aussi élevées (en THz) sans grande perte de puissance^[5]. La grande perte de puissance est le résultat de la capacité électrique parasite trouvée dans les diodes à jonction p-n et les diodes Schottky, qui ne peuvent fonctionner efficacement qu'à des fréquences inférieures à 5 THz^[6]. Les longueurs d'onde idéales de 0,4 à 1,6 μm correspondent à des fréquences d'environ 190–750 THz, ce qui est beaucoup plus grand que les capacités des diodes typiques. Par conséquent, des diodes alternatives doivent être utilisées pour une conversion de puissance efficace. Dans les dispositifs à antennes redresseuses optiques actuels, des diodes à effet tunnel métal-isolant-métal (en) (MIM) sont utilisées. Contrairement aux diodes Schottky, les diodes MIM ne sont pas affectées par les capacités parasites car elles fonctionnent sur la base de l'effet tunnel d'électrons. Pour cette raison, il a été démontré que les diodes MIM fonctionnent efficacement à des fréquences d'environ 150 THz^[6].

L'un des plus grands avantages revendiqués des antennes redresseuses optiques est leur efficacité théorique élevée. Par rapport à l'efficacité théorique des cellules solaires à simple jonction (30%), les redresseurs optiques semblent avoir un avantage significatif. Cependant, les deux efficacités sont calculées en utilisant des hypothèses différentes. Les hypothèses intervenant dans le calcul des antennes redresseuses sont basées sur l'application du rendement Carnot des capteurs solaires. L'efficacité de Carnot, η, est donnée par

${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{\text{froid}}}{T_{\text{chaud}}}}}$

où T _froid est la température du corps le plus froid et T _chaud est la température du corps le plus chaud. Pour qu'il y ait une conversion d'énergie efficace, la différence de température entre les deux corps doit être importante. R. L. Bailey affirme que les antennes redresseuses ne sont pas limitées par l'efficacité de Carnot, contrairement au photovoltaïque. Cependant, il ne fournit aucun argument pour cette affirmation. De plus, lorsque les mêmes hypothèses utilisées pour obtenir le rendement théorique de 85 % pour les antennes redresseuses sont appliquées aux cellules solaires à simple jonction, le rendement théorique des cellules solaires à simple jonction est également supérieur à 85 %.

L'avantage le plus apparent des redresseurs optiques par rapport au photovoltaïque à semi-conducteur est que les réseaux d'antennes redresseuses peuvent être conçus pour absorber n'importe quelle fréquence de lumière. La fréquence de résonance d'une antenne optique peut être sélectionnée en faisant varier sa longueur. C'est un avantage par rapport au photovoltaïque à semi-conducteur, car pour absorber différentes longueurs d'onde de lumière, différentes bandes interdites sont nécessaires. Afin de faire varier la bande interdite, le semi-conducteur doit être allié ou un semi-conducteur différent doit être utilisé^[5].

Comme indiqué précédemment, l'une des principales limitations des antennes redresseuses optiques est la fréquence à laquelle ils fonctionnent. La haute fréquence de la lumière dans la gamme idéale de longueurs d'onde rend l'utilisation de diodes Schottky typiques peu pratique. Bien que les diodes MIM présentent des caractéristiques prometteuses pour une utilisation dans les antennes redresseuses optiques, des progrès supplémentaires sont nécessaires pour fonctionner efficacement à des fréquences plus élevées^[11].

Un autre inconvénient est que les antennes redresseuses optiques actuelles sont produites en utilisant la lithographie à faisceau d'électrons. Ce processus est lent et relativement coûteux car le traitement parallèle n'est pas possible. En règle générale, la lithographie à faisceau d'électrons n'est utilisée qu'à des fins de recherche lorsque des résolutions extrêmement fines sont nécessaires pour une taille d'élément minimale (généralement de l'ordre du nanomètre). Cependant, les techniques photolithographiques ont évolué jusqu'à ce qu'il soit possible d'avoir des tailles minimales de traits de l'ordre de la dizaine de nanomètres, permettant de produire des antennes redresseuses au moyen de la photolithographie^[11].

Une fois la preuve de concept terminée, des wafers de silicium à l'échelle de laboratoire ont été fabriqués à l'aide de techniques de fabrication de circuits intégrés semi-conducteurs standard. La lithographie à faisceau d'électrons a été utilisée pour fabriquer les réseaux de structures métalliques d'antenne cadre. L'antenne optique se compose de trois parties principales : le plan de masse, la cavité de résonance optique et l'antenne. L'antenne absorbe l'onde électromagnétique, le plan de masse agit pour réfléchir la lumière vers l'antenne, et la cavité de résonance optique plie et concentre la lumière vers l'antenne via le plan de masse^[5]. Ce travail n'incluait pas la production de la diode.

Idaho National Labs a suivi les étapes suivantes pour fabriquer ses réseaux d'antennes optiques. Un plan de masse métallique a été déposé sur un wafer de silicium nu, suivi d'une couche de silicium amorphe déposée par pulvérisation cathodique. La profondeur de la couche déposée était d'environ un quart de longueur d'onde. Un mince film de manganèse ainsi qu'une surface sélective de fréquence en or (pour filtrer la fréquence souhaitée) ont été déposés pour servir d'antenne. La résine a été appliquée et modelée par lithographie par faisceau d'électrons. Le film d'or a été sélectivement gravé et la résine a été retirée.

En passant à une plus grande échelle de production, les étapes de traitement en laboratoire telles que l'utilisation de la lithographie à faisceau d'électrons sont lentes et coûteuses. Par conséquent, un procédé de fabrication rouleau à rouleau a été conçu en utilisant une nouvelle technique de fabrication basée sur un modèle maître. Ce modèle maître estampe mécaniquement le modèle de précision sur un substrat flexible peu coûteux et crée ainsi les éléments de boucle métalliques vus dans les étapes de traitement en laboratoire. Le modèle principal fabriqué par Idaho National Laboratories se compose d'environ 10 milliards d'éléments d'antenne sur un wafer de silicium de 8 pouces de diamètre. En utilisant ce processus semi-automatisé, Idaho National Labs a produit un certain nombre de coupons carrés de 4 pouces de côté. Ces coupons ont été combinés pour former une large feuille flexible de réseaux d'antennes. Ce travail n'incluait pas la production de diode.

Des chercheurs de l'Université du Connecticut utilisent une technique appelée atomic layer deposition sélective qui est capable de les produire de manière fiable et à l'échelle industrielle^[12]. Des recherches sont en cours pour les régler sur les fréquences optimales pour la lumière visible et infrarouge.

Les antennes optiques (en elles-mêmes, en omettant la diode cruciale et d'autres composants) sont moins chères que le photovoltaïque (si l'efficacité est ignorée). Alors que les matériaux et la transformation du photovoltaïque sont chers (actuellement le coût pour des modules photovoltaïques complets est de l'ordre de 430 USD / m² en 2011 et en baisse^[13]), Steven Novack estime le coût actuel du matériel d'antenne lui-même à environ 5 - 11 USD / m² en 2008^[14]. Avec des techniques de traitement appropriées et une sélection de matériaux différente, il estime que le coût global du traitement, une fois correctement mis à l'échelle, ne coûtera pas beaucoup plus. Son prototype était une plaquette mesurant 30 x 61 cm, en plastique, qui ne contenait que 0.60 USD d'or en 2008, avec possibilité de déclassement vers un matériau comme l'aluminium, le cuivre ou l'argent^[15]. Le prototype utilisait un substrat en silicium en raison de techniques de traitement familières, mais n'importe quel substrat pouvait théoriquement être utilisé tant que le matériau du plan de masse adhère correctement.