Khoa học tự nhiên

Rectenna quang học chuyển đổi ánh sáng thành điện (09/10/2015)

Sử dụng các bộ phận nhỏ cấp nanomet, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rectenna quang học đầu tiên, một thiết bị kết hợp các chức năng của một ăng-ten và một diode chỉnh lưu, để chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành dòng điện một chiều.

Rectenna quang bằng ống nano carbon chuyển đổi ánh sáng laser màu xanh lục thành điện trong phòng thí nghiệm của Baratunde Cola tại Đại học Công nghệ Georgia.

Dựa trên các ống nano carbon đa vách và các chỉnh lưu nhỏ xíu gắn liền, các rectennas quang học có thể cung cấp một công nghệ mới cho bộ tách sóng quang hoạt động không cần làm mát, các thiết bị khai thác năng lượng để chuyển đổi nhiệt thải thành điện - và cuối cùng dẫn đến một phương pháp mới khai thác năng lượng mặt trời một cách hiệu quả.

Trong các thiết bị mới này, do các kỹ sư tại Viện Công nghệ Georgia nghiên cứu chế tạo, các ống nano carbon hoạt động như ăng-ten để thu ánh sáng từ mặt trời hoặc các nguồn khác. Khi sóng ánh sáng đập vào anten ống nano, chúng tạo ra một điện tích dao động di chuyển qua thiết bị chỉnh lưu ở đó. Các chỉnh lưu bật và tắt ở các tốc độ petahertz cao kỷ lục, tạo ra một dòng điện một chiều nhỏ.

Hàng tỷ rectenna trong một tấm bảng có thể tạo ra dòng điện đáng kể, mặc dù hiệu quả của các thiết bị giới thiệu cho đến nay vẫn còn dưới một phần trăm. Nhưng các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ tăng hiệu suất này thông qua các kỹ thuật tối ưu hóa, và tin rằng một rectenna có tiềm năng thương mại có thể xuất hiện trong vòng một năm.

"Chúng tôi cuối cùng có thể làm cho các pin mặt trời hiệu quả gấp đôi với chi phí thấp hơn mười lần, và đó là cơ hội để thay đổi thế giới theo một cách rất lớn", Baratunde Cola, Phó giáo sư tại Georgia Tech nói. "Là một máy dò nhiệt độ cao và khỏe, những rectennas này có thể là một công nghệ đột phá hoàn toàn nếu có thể đạt đuợc hiệu quả một phần trăm. Nếu có thể có được hiệu quả cao hơn, chúng ta có thể áp dụng nó vào công nghệ chuyển đổi năng lượng và thu năng lượng mặt trời".

Được phát triển vào những năm 1960 và 1970, rectenna hoạt động ở bước sóng ngắn chỉ mười micron, trong hơn 40 năm qua, các nhà nghiên cứu đã cố gắng để làm cho thiết bị này hoạt động ở các bước sóng quang học. Việc này có rất nhiều thách thức như: làm cho các ăng-ten nhỏ đủ để cặp các bước sóng quang học, và chế tạo bộ chỉnh lưu diode phù hợp đủ nhỏ và có thể hoạt động đủ nhanh để bắt được các dao động sóng điện từ.

"Ở đây tồn tại các hiện tượng vật lý và các khái niệm khoa học", Cola cho biết. "Bây giờ là thời điểm hoàn hảo để thử một số điều mới và làm cho thiết bị hoạt động, nhờ những tiến bộ trong công nghệ chế tạo".

Sử dụng ống nano carbon đa vách kim loại và kỹ thuật chế tạo nano, Cola và các cộng tác viên đã chế tạo các thiết bị sử dụng bản chất sóng của ánh sáng chứ không phải là bản chất hạt của nó. Họ cũng sử dụng một loạt kiểm tra - hơn một ngàn thiết bị - để kiểm tra các phép đo của cả dòng điện và điện áp để xác nhận sự tồn tại của chức năng rectenna đã được lý thuyết dự đoán. Các thiết bị hoạt động ở nhiệt độ trong khoảng 5-77 độ C.

Việc chế tạo các rectenna bắt đầu với việc trồng các "rừng" ống nano carbon xếp theo chiều dọc trên một chất nền dẫn điện. Sử dụng kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học lớp nguyên tử, các ống nano được bọc vật liệu oxit nhôm để cách điện. Cuối cùng, sử dụng kỹ thuật lắng đọng hơi vật lý đặt các lớp kim loại canxi và sau đó là nhôm mỏng trong suốt lên trên đỉnh rừng ống nano. Các chức năng hoạt động khác nhau giữa các ống nano và canxi sinh ra một điệp áp khoảng hai electron-volt, đủ để đưa các electron ra khỏi anten ống nano cácbon khi chúng được kích thích bằng ánh sáng.

Khi hoạt động, các sóng ánh sáng doa động đi qua điện cực canxi-nhôm trong suốt và tương tác với các ống nano. Các điểm tiếp xúc kim loại - lớp cách điện - kim loại ở đỉnh ống nano hoạt động như các chỉnh lưu bật và tắt trong khoảng thời gian femto giây, cho phép các electron do ăng-ten tạo ra chạy theo một chiều đến đỉnh điện cực. Điện dung cực thấp, ở mức vài attofarads, cho phép diode đường kính 10-nanometer hoạt động ở các tần số đặc biệt này.

"Một rectenna về cơ bản là một ăng-ten ghép với một diode, nhưng khi ta đưa vào phổ quang học, điều đó thường có nghĩa là một ăng ten nano ghép với một diode kim loại-lớp cách điện-kim loại", Cola giải thích. "Khi ta để ăng-ten càng gần diode, hiệu quả càng cao. Vì vậy, cấu trúc lý tưởng sử dụng ăng-ten là một trong số kim loại trong các diode - đó là cấu trúc mà chúng tôi đã làm".

Các rectennas do nhóm Cola chế tạo được phát triển trên nền cứng, nhưng mục tiêu của nhóm là phát triển chúng trên lá mỏng hoặc vật liệu khác có thể sản xuất các tế bào năng lượng mặt trời hoặc tách sóng quang mềm dẻo.

Cola đã có các ý tưởng nâng cao hiệu quả bằng cách thay đổi vật liệu, mở các ống nano carbon cho phép nhiều kênh dẫn điện và giảm trở kháng trong các cấu trúc.

Nguồn: vista.vn (Theo Phys.org)