Rectona Óptica: Generación de energía a partir del calor

Por Fouad Sabry

¿Qué es Rectenna óptica?

Una rectenna que funciona con luz visible o infrarroja se conoce como rectenna óptica. La transformación de las ondas electromagnéticas en electricidad de corriente continua se logra mediante una rectenna, que es un circuito que consta de una antena y un diodo. Una rectenna óptica funcionaría de la misma manera que una rectenna de radio o microondas, pero convertiría la luz infrarroja o visible en electricidad en lugar de ondas de radio o microondas. Rectennas ha estado en uso durante mucho tiempo.

Cómo se beneficiará

(I) Información y validaciones sobre los siguientes temas:

Capítulo 1: Rectenna óptica

Capítulo 2: Fotodiodo

Capítulo 3: Banda prohibida

Capítulo 4: Arseniuro de galio

Capítulo 5: Rectena

Capítulo 6: Semiconductor de banda prohibida amplia

Capítulo 7: Fosfuro de indio

Capítulo 8: Fotodetector

Capítulo 9: Efecto fotovoltaico

Capítulo 10: Termofotovoltaica

Capítulo 11: Célula solar híbrida

Capítulo 12: Célula fotovoltaica de tercera generación

Capítulo 13: Célula solar multiunión

Capítulo 14: Nanotubos de carbono en fotovoltaica

Capítulo 15: Célula solar orgánica

Capítulo 16: Sólido

Capítulo 17: Límite de Shockley-Queisser

Capítulo 18: Película conductora transparente

Capítulo 19: Célula solar plasmónica

Capítulo 20: Investigación de células solares

Capítulo 21: Energía fotovoltaica sin sol

(II) Respondiendo a las principales preguntas del público sobre la recte óptica nna.

(III) Ejemplos del mundo real para el uso de la rectena óptica en muchos campos.

(IV) 17 apéndices para explicar, brevemente, 266 tecnologías emergentes en cada industria para tener Comprensión completa de 360 ​​grados de las tecnologías de rectenna óptica.

Para quién es este libro

Profesionales, estudiantes de pregrado y posgrado, entusiastas, aficionados y aquellos que quieran ir más allá del conocimiento o la información básica para cualquier tipo de rectena óptica.

• Idioma: Español
• Editorial: Mil Millones De Conocimientos [Spanish]
• Fecha de lanzamiento: 17 oct 2022

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Derechos de autor

Rectenna óptica Copyright © 2022 por Fouad Sabry. Todos los derechos reservados.

Todos los derechos reservados. Ninguna parte de este libro puede ser reproducida en cualquier forma o por cualquier medio electrónico o mecánico, incluyendo sistemas de almacenamiento y recuperación de información, sin permiso por escrito del autor. La única excepción es por un revisor, que puede citar extractos cortos en una revisión.

Portada diseñada por Fouad Sabry.

Este libro es una obra de ficción. Los nombres, personajes, lugares e incidentes son productos de la imaginación del autor o se usan ficticiamente. Cualquier parecido con personas reales, vivas o muertas, eventos o lugares es completamente coincidencia.

Sobresueldo

Puede enviar un correo electrónico a [e-mail] con el asunto Optical Rectenna: Generating power from heat, y recibirá un correo electrónico que contiene los primeros capítulos de este libro.

Fouad Sabry

Visite el sitio web de 1BK en

www.1BKOfficial.org

Prefacio

¿Por qué escribí este libro?

La historia de escribir este libro comenzó en 1989, cuando era estudiante en la Escuela Secundaria de Estudiantes Avanzados.

Es notablemente como las escuelas STEM (Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas), que ahora están disponibles en muchos países avanzados.

STEM es un plan de estudios basado en la idea de educar a los estudiantes en cuatro disciplinas específicas: ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas, en un enfoque interdisciplinario y aplicado. Este término se usa típicamente para abordar una política educativa o una elección de currículo en las escuelas. Tiene implicaciones para el desarrollo de la fuerza laboral, las preocupaciones de seguridad nacional y la política de inmigración.

Había una clase semanal en la biblioteca, donde cada estudiante es libre de elegir cualquier libro y leer durante 1 hora. El objetivo de la clase es animar a los estudiantes a leer materias distintas al currículo educativo.

En la biblioteca, mientras miraba los libros en los estantes, noté libros enormes, un total de 5,000 páginas en 5 partes. El nombre del libro es La Enciclopedia de la Tecnología, que describe todo lo que nos rodea,desde el cero absoluto hasta los semiconductores, casi todas las tecnologías, en ese momento, se explicaban con ilustraciones coloridas y palabras simples. Comencé a leer la enciclopedia y, por supuesto, no pude terminarla en la clase semanal de 1 hora.

Así que convencí a mi padre para que comprara la enciclopedia. Mi padre compró todas las herramientas tecnológicas para mí al comienzo de mi vida, la primera computadora y la primera enciclopedia tecnológica, y ambas tienen un gran impacto en mí y en mi carrera.

He terminado toda la enciclopedia en las mismas vacaciones de verano de este año, y luego comencé a ver cómo funciona el universo y cómo aplicar ese conocimiento a los problemas cotidianos.

Mi pasión por la tecnología comenzó hace más de 30 años y aún así el viaje continúa.

Este libro es parte de La Enciclopedia de Tecnologías Emergentes, que es mi intento de dar a los lectores la misma experiencia increíble que tuve cuando estaba en la escuela secundaria, pero en lugar de las tecnologías del siglo 20, estoy más interesado en las tecnologías emergentes del siglo 21, las aplicaciones y las soluciones de la industria.

La Enciclopedia de Tecnologías Emergentes constará de 365 libros, cada libro se centrará en una sola tecnología emergente. Puede leer la lista de tecnologías emergentes y su categorización por industria en la parte de Próximamente, al final del libro.

365 libros para dar a los lectores la oportunidad de aumentar su conocimiento sobre una sola tecnología emergente todos los días en el transcurso de un período de un año.

Introducción

¿Cómo escribí este libro?

En cada libro de La Enciclopedia de las Tecnologías Emergentes, estoy tratando de obtener información de búsqueda instantánea y cruda, directamente de las mentes de las personas, tratando de responder a sus preguntas sobre la tecnología emergente.

Hay 3 mil millones de búsquedas en Google todos los días, y el 20% de ellas nunca se han visto antes. Son como una línea directa a los pensamientos de la gente.

A veces eso es '¿Cómo elimino el atasco de papel?'. Otras veces, son los miedos desgarradores y los anhelos secretos que solo se atreverían a compartir con Google.

En mi búsqueda por descubrir una mina de oro sin explotar de ideas de contenido sobre Optical Rectenna, uso muchas herramientas para escuchar los datos de autocompletar de motores de búsqueda como Google, luego rápidamente saco cada frase y pregunta útil, la gente pregunta sobre la palabra clave Optical Rectenna.

Es una mina de oro de conocimiento de las personas, que puedo usar para crear contenido, productos y servicios frescos y ultra útiles. La gente amable, como tú, realmente quiere.

Las búsquedas de personas son el conjunto de datos más importante jamás recopilado sobre la psique humana. Por lo tanto, este libro es un producto en vivo, y constantemente actualizado por más y más respuestas para nuevas preguntas sobre Rectenna óptica, hechas por personas, como usted y yo, que se preguntan sobre esta nueva tecnología emergente y les gustaría saber más sobre ella.

El enfoque para escribir este libro es obtener un nivel más profundo de comprensión de cómo las personas buscan en torno a Rectenna óptica, revelando preguntas y consultas que no necesariamente pensaría en la parte superior de mi cabeza, y respondiendo estas preguntas en palabras súper fáciles y digeribles, y navegar por el libro de una manera directa.

Entonces, cuando se trata de escribir este libro, me he asegurado de que sea lo más optimizado y específico posible. El propósito de este libro es ayudar a las personas a comprender mejor y aumentar su conocimiento sobre Rectenna óptica. Estoy tratando de responder a las preguntas de la gente lo más cerca posible y mostrando mucho más.

Es una manera fantástica y hermosa de explorar preguntas y problemas que tienen las personas y responderlos directamente, y agregar perspicacia, validación y creatividad al contenido del libro, incluso lanzamientos y propuestas. El libro descubre áreas ricas, menos concurridas y, a veces, sorprendentes de demanda de investigación que de otro modo no alcanzaría. No hay duda de que, se espera que aumente el conocimiento de las mentes de los lectores potenciales, después de leer el libro utilizando este enfoque.

He aplicado un enfoque único para hacer que el contenido de este libro sea siempre fresco. Este enfoque depende de escuchar las mentes de las personas, mediante el uso de las herramientas de escucha de búsqueda. Este enfoque me ayudó a:

Conozca a los lectores exactamente donde están, para que pueda crear contenido relevante que toque la fibra sensible y genere una mayor comprensión del tema.

Mantén mi dedo firmemente en el pulso, para que pueda obtener actualizaciones cuando la gente hable sobre esta tecnología emergente de nuevas maneras y monitorear las tendencias a lo largo del tiempo.

Descubra tesoros ocultos de preguntas que necesitan respuestas sobre la tecnología emergente para descubrir ideas inesperadas y nichos ocultos que aumentan la relevancia del contenido y le dan una ventaja ganadora.

El bloque de construcción para escribir este libro incluye lo siguiente:

(1) He dejado de perder el tiempo en ideas viscerales y conjeturas sobre el contenido deseado por los lectores, llené el contenido del libro con lo que la gente necesita y dije adiós a las infinitas ideas de contenido basadas en especulaciones.

(2) He tomado decisiones sólidas, y he tomado menos riesgos, para obtener asientos de primera fila para lo que la gente quiere leer y quiere saber, en tiempo real, y usar los datos de búsqueda para tomar decisiones audaces, sobre qué temas incluir y qué temas excluir.

(3) He simplificado mi producción de contenido para identificar ideas de contenido sin tener que examinar manualmente las opiniones individuales para ahorrar días e incluso semanas de tiempo.

Es maravilloso ayudar a las personas a aumentar su conocimiento de una manera directa simplemente respondiendo a sus preguntas.

Creo que el enfoque de escribir este libro es único, ya que recopila y rastrea las preguntas importantes que hacen los lectores en los motores de búsqueda.

Reconocimientos

Escribir un libro es más difícil de lo que pensaba y más gratificante de lo que podría haber imaginado. Nada de esto hubiera sido posible sin el trabajo realizado por prestigiosos investigadores, y me gustaría reconocer sus esfuerzos para aumentar el conocimiento del público sobre esta tecnología emergente.

Dedicación

Para los iluminados, los que ven las cosas de manera diferente y quieren que el mundo sea mejor, no les gusta el status quo o el estado existente. Puedes estar demasiado en desacuerdo con ellos, y puedes discutir con ellos aún más, pero no puedes ignorarlos, y no puedes subestimarlos, porque siempre cambian las cosas ... Empujan a la raza humana hacia adelante, y mientras algunos pueden verlos como locos o aficionados, otros ven genios e innovadores, porque los que están lo suficientemente iluminados como para pensar que pueden cambiar el mundo, son los que lo hacen, y llevan a la gente a la iluminación.

Epígrafe

Una rectenna que funciona con luz visible o infrarroja se conoce como rectenna óptica. La transformación de las ondas electromagnéticas en electricidad de corriente continua se logra utilizando una rectenna, que es un circuito que consta de una antena y un diodo. Una rectenna óptica funcionaría de la misma manera que una rectenna de radio o microondas, pero convertiría la luz infrarroja o visible en electricidad en lugar de ondas de radio o microondas. Las rectennas han estado en uso durante mucho tiempo.

Tabla de contenidos

Derechos de autor

Sobresueldo

Prefacio

Introducción

Reconocimientos

Dedicación

Epígrafe

Tabla de contenidos

Capítulo 1: Rectenna óptica

Capítulo 2: Fotodiodo

Capítulo 3: Brecha de banda

Capítulo 4: Rectenna

Capítulo 5: Semiconductor de banda prohibida ancha

Capítulo 6: Fosfuro de indio

Capítulo 7: Eficiencia cuántica

Capítulo 8: Fotodetector

Capítulo 9: Efecto fotovoltaico

Capítulo 7: Calefacción urbana

Capítulo 11: Célula solar híbrida

Capítulo 12: Nanofotónica

Capítulo 13: Célula fotovoltaica de tercera generación

Capítulo 14: Nanotubos de carbono en energía fotovoltaica

Capítulo 15: Célula solar orgánica

Capítulo 16: Panel sándwich

Capítulo 17: Red neuronal física

Capítulo 18: Película de conducción transparente

Capítulo 19: Célula solar plasmónica

Capítulo 20: Investigación de células solares

Capítulo 21: Energía fotovoltaica sin sol

Epílogo

Sobre el autor

Próximamente

Apéndices: Tecnologías emergentes en cada industria

Capítulo 1: Rectenna óptica

Una rectenna (también conocida como antena rectificadora) que opera con luz visible o infrarroja se conoce como rectenna óptica. La transformación de las ondas electromagnéticas en electricidad de corriente continua se logra utilizando una rectenna, que es un circuito que consta de una antena y un diodo. Las rectennas han estado en uso durante mucho tiempo para recibir ondas de radio o microondas; Sin embargo, una rectenna óptica funcionaría de la misma manera pero con luz infrarroja o visible, convirtiéndola en electricidad.

A pesar del hecho de que las rectennas ópticas son conceptualmente comparables a las rectennas regulares (radio y microondas), es una tarea mucho más difícil construir una rectenna óptica. Debido a que la frecuencia de la luz es tan alta, cientos de terahercios para la luz visible, solo hay unas pocas variedades selectas de diodos especializados que pueden voltearse lo suficientemente rápido como para corregirla. Esto presenta un obstáculo. Debido a que las antenas suelen tener un tamaño comparable a una longitud de onda, la producción de una antena óptica muy pequeña requiere el uso de una técnica de nanotecnología compleja. Este es otro obstáculo. El hecho de que una antena óptica sea a menudo extremadamente pequeña significa que normalmente absorbe relativamente poca energía. Como resultado, tienden a crear un pequeño voltaje en el diodo, lo que a su vez conduce a una baja no linealidad del diodo y, como resultado, a una eficiencia deficiente. Esto presenta una tercera dificultad. Debido a estos y otros obstáculos, las rectennas ópticas solo se han utilizado en demostraciones en el laboratorio hasta este momento. Estas demostraciones de laboratorio generalmente incluyen luz láser intensamente concentrada, que genera una cantidad de potencia insignificante pero cuantificable.

A pesar de esto, hay optimismo de que las matrices de rectennas ópticas podrían algún día demostrar ser un método efectivo para transformar la luz solar en energía eléctrica, creando así electricidad solar a una velocidad que es más alta que la de las células solares tradicionales. Robert L. Bailey hizo la primera sugerencia para el concepto en 1972. Es incierto en este momento si alguna vez serán tan rentables o eficientes como las células solares tradicionales.

Es posible referirse a una rectenna óptica cuando se usa la palabra nantenna, que es la abreviatura de nano-antena, alternativamente, una antena óptica por sí sola.

Actualmente, los Laboratorios Nacionales de Idaho han diseñado una antena óptica para absorber longitudes de onda en el rango de 3-15 μm.

(ver Figura 1).

Un convertidor de energía de ondas electromagnéticas desarrollado por Robert Bailey y James C. Fletcher recibió una patente en los Estados Unidos en 1973 con el número US 3760257. El aparato patentado era comparable a las rectennas ópticas utilizadas en la actualidad. La patente describe la aplicación de un diodo del tipo descrito por [Ali Javan] en el IEEE Spectrum, octubre de 1971, página 91, a saber, un bigote de gato de metal con un diámetro de 100 nanómetros que está unido a una superficie metálica que tiene una fina capa de óxido que lo cubre. Se afirmó que Java tuvo éxito en revertir 58 THz de radiación infrarroja. En 1974, T. En 1996, Guang H. Lin reveló la absorción de luz resonante por una nanoestructura fabricada y la rectificación de la luz con frecuencias en el rango visible. Gustafson y sus coautores demostraron que este tipo de dispositivos podían corregir incluso la luz visible a la corriente continua. A pesar de esto, todavía se están llevando a cabo investigaciones sobre la rectenna óptica.

Estos dispositivos de rectenna de nanotubos de carbono sufren de una falta de estabilidad del aire, que es la desventaja fundamental de estos dispositivos. El calcio se utilizó como un electrodo superior semitransparente en la estructura del dispositivo que fue reportado inicialmente por Cola. Esto se hizo porque la baja función de trabajo del calcio (2.9 eV) en comparación con la función de trabajo de MWCNT (5 eV) crea la asimetría de diodo que es necesaria para la rectificación óptica. Sin embargo, el calcio metálico es muy volátil cuando se expone al aire y se oxida en un corto período de tiempo. Para evitar el mal funcionamiento del instrumento de medición, las mediciones debían realizarse dentro de una guantera en una atmósfera estéril. Debido a su uso restringido en el mundo real, los gadgets.

Más tarde, Cola y sus colegas superaron las dificultades causadas por la inestabilidad del dispositivo alterando la construcción del diodo para incluir muchas capas de óxido. En 2018, anunciaron el desarrollo de la primera rectenna óptica estable al aire, así como los avances en eficiencia.

Esta nueva generación de rectenna fue capaz de lograr su estabilidad del aire debido a la personalización realizada a la barrera de túnel cuántico del diodo.

En lugar de confiar en un solo aislante dieléctrico, demostraron que aumentar el número de capas de óxido con composiciones variables puede mejorar el rendimiento del diodo al alterar la barrera de túnel del diodo.

Mediante el uso de óxidos con afinidades electrónicas variables, Independientemente de la diferencia en la función de trabajo entre los dos electrodos, el túnel de electrones se puede hacer para crear una respuesta de diodo asimétrica si las condiciones son correctas.

Mediante el uso de capas de Al 2 O 3 y HfO2, la respuesta asimétrica de un diodo se mejoró más de diez veces con la construcción de un diodo aislante doble conocido como diodo metal-aislante-aislante-metal (MIIM). Esto se logró sin la necesidad de una función de trabajo baja. El calcio, la plata, que no se ve afectada por el aire, finalmente tomó su posición como el metal primario.

En el futuro, se intentará aumentar la eficiencia del dispositivo buscando nuevos materiales, modificando los MWCNT y las capas aislantes para estimular la conducción en la interfaz y reducir las resistencias dentro de la estructura.

La teoría de que detrás de las rectennas ópticas es, a todos los efectos, equivalente a la que sustenta las rectenas convencionales (radio o microondas). Cuando la luz golpea la antena, desencadena una reacción en cadena que hace que los electrones dentro de la antena fluyan hacia adelante y hacia atrás a la misma frecuencia que la luz. Esto se debe a que la onda electromagnética entrante tiene un campo eléctrico fluctuante que está causando este efecto. En el circuito que compone la antena, el flujo de electrones produce una corriente alterna (CA). La corriente alterna (CA) tiene que ser rectificada antes de que pueda ser cambiada a corriente continua (CC), y esto se hace comúnmente usando un diodo. Después de eso, la corriente continua que se produjo se puede utilizar para proporcionar energía a una carga externa. De acuerdo con la teoría básica de la antena de microondas, la frecuencia resonante de las antenas (la frecuencia que resulta en la impedancia más baja y, por lo tanto, la mayor eficiencia) escala linealmente con el tamaño físico de la antena. Esta es la frecuencia que resulta en la mayor eficiencia. Debido a esto, una antena rectificadora tiene que ser del orden de cientos de nm de tamaño para que sea un colector electromagnético eficiente en el espectro solar.

Al considerar las rectenas ópticas, hay una serie de complejidades que surgen como resultado de las simplificaciones que se utilizan en la teoría convencional de la antena rectificadora. Debido a que prácticamente toda la corriente se transporta cerca de la superficie del cable a frecuencias que exceden el infrarrojo, el área de la sección transversal efectiva del cable se reduce, lo que resulta en un aumento en la resistencia del cable. El término efecto piel también se ha utilizado para referirse a este fenómeno. Incluso si la ley de Ohm, en su versión vectorial generalizada, sigue siendo válida, las características I-V podrían dar la impresión de que ya no son óhmicos. Esto es a pesar del hecho de que la ley de Ohm sigue siendo aplicable.

Los diodos que se utilizan en rectennas a mayor escala no pueden funcionar a frecuencias de THz sin sufrir una pérdida significativa de potencia, que es otra dificultad que surge al reducir.

La gran eficiencia potencial de las rectennas ópticas se cita a menudo como uno de los puntos de venta más convincentes de los dispositivos.

Cuando se compara con la eficiencia de las células solares de unión única desde una perspectiva teórica (30 por ciento), parece que las rectennas ópticas tienen una gran ventaja en esta situación.

Sin embargo, ambas eficiencias se determinan en función de una variedad de presunciones diferentes.

Los cálculos para la rectenna se basan en el uso de la eficiencia de Carnot de los colectores solares, lo que lleva a una serie de suposiciones.

La efectividad del ciclo de Carnot, η, viene dada por

{\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{\text{cold}}}{T_{\text{hot}}}}}

donde T frío es la temperatura del cuerpo más frío y T caliente es la temperatura del cuerpo más caliente.

La energía debe convertirse de una manera que sea efectiva y eficiente, es necesario que haya una gran disparidad de temperatura entre los dos cuerpos.

R.

L.

Bailey afirma que las rectennas no están limitadas por la eficiencia de Carnot, la energía fotovoltaica, por otro lado, sí lo está.

Sin embargo, esta afirmación no está respaldada por ninguna prueba que él proporcione.

Además, cuando los mismos supuestos que se utilizaron para derivar la eficiencia teórica del 85 por ciento para rectennas se aplican a las células solares de unión única, los resultados son significativamente diferentes, La eficiencia de las células solares de unión única también es mejor que el 85 por ciento desde un punto de vista teórico.

El hecho de que se puedan construir matrices de rectennas ópticas para absorber cualquier frecuencia de luz es quizás el beneficio más obvio que ofrecen las rectennas ópticas sobre la energía fotovoltaica semiconductora. Al ajustar la longitud de una antena óptica, uno puede sintonizar la frecuencia de resonancia del dispositivo. Este es un beneficio sobre los semiconductores fotovoltaicos, que necesitan distintas brechas de banda para absorber luz de diferentes longitudes de onda, y esta ventaja permite una absorción de luz más eficiente. El semiconductor debe ser aleado o se debe utilizar un material semiconductor completamente diferente para lograr el rango deseado de espacios de banda.

Como se mencionó anteriormente, una de las desventajas más significativas de las rectennas ópticas es la frecuencia relativamente baja a la que pueden funcionar. El uso práctico de los diodos Schottky ordinarios se hace imposible debido a la alta frecuencia de luz que se produce dentro del rango apropiado de longitudes de onda. A pesar de que los diodos MIM tienen ciertas características deseables para su uso en