光レクテナ

光レクテナは、可視光または赤外光で動作するレクテナ（アンテナを整流する）です。 ^{[1]レクテナは、}アンテナとダイオードを含む回路であり、電磁波を直流電気に変換します。レクテナは長い間、電波やマイクロ波に使用されてきましたが、光レクテナは同じように動作し、赤外線または可視光を電気に変換します。

従来の（無線およびマイクロ波）レクテナは基本的には光レクテナに似ていますが、実際には光レクテナを作るのは非常に困難です。 1 つの課題は、光の周波数が非常に高い（可視光の場合、数百テラヘルツ）ため、それを整流できるほど高速に切り替えることができるのは、数種類の特殊なダイオードだけであることです。 もう 1 つの課題は、アンテナのサイズが波長と同程度になる傾向があるため、非常に小さな光アンテナには難しいナノテクノロジーの製造プロセスが必要になることです。 3 つ目の課題は、光アンテナは非常に小さいため、通常、吸収する電力が非常に少なく、したがってダイオードで発生する電圧が小さい傾向があり、ダイオードの非線形性が低下し、効率が低下することです。 これらの課題やその他の課題のため、これまでのところ、光レクテナは、強力に焦点を合わせたレーザー光を使用して、わずかだが測定可能な量の電力を生成する実験室でのデモンストレーションに限定されています。

それでも、光レクテナのアレイが最終的には太陽光を電力に変換する効率的な手段となり、従来の太陽電池よりも効率的に太陽光発電できるようになると期待されています。このアイデアは、1972年にロバート・L・ベイリーによって初めて提案されました。^[2] 2012年の時点では、エネルギー変換が可能であることを示しただけの光レクテナデバイスがいくつか構築されただけです。^[3]従来の光電池 と同じくらい費用対効果が高く、効率的になるかどうかは不明です。

ナノアンテナという用語は、光レクテナ、または光アンテナ自体を指すために使用されることがあります。^[4] 2008年に、アイダホ国立研究所が3〜15μmの範囲の波長を吸収する光アンテナを設計したことが報告されました。^{[5]これらの波長は、} 0.4 eVから0.08 eVの光子エネルギーに対応します。 アンテナ理論に基づくと、光アンテナは、アンテナのサイズがその特定の波長に対して最適化されていれば、任意の波長の光を効率的に吸収できます。 理想的には、アンテナは0.4〜1.6μmの波長の光を吸収するために使用されます。これらの波長は遠赤外線（より長い波長）よりもエネルギーが高く、太陽放射スペクトルの約85％を占めるためです^[6]（図1を参照）。

ロバート・ベイリーは、ジェームズ・C・フレッチャーとともに、1973年に「電磁波エネルギー変換器」の特許（ US 3760257 ）を取得しました。特許を取得したこの装置は、現代の光レクテナに類似していました。この特許では、「[アリ・ジャヴァン]がIEEE Spectrum 1971年10月号91ページで説明したタイプ」のダイオードの使用について説明されており、これは、薄い酸化物層で覆われた金属表面に直径100nmの金属のひげを通したダイオードです。ジャヴァンは、58THzの赤外線を整流したと報告されました。1974年、T・グスタフソンと共著者は、これらのタイプの装置が可視光でさえも直流電流に整流できることを実証しました。 ^[7]アルビン・M・マークスは、1984年に、サブミクロンのアンテナを使用して光パワーを電力に直接変換することを明示的に述べた装置の特許を取得しました。^[8]マークスの装置はベイリーの装置に比べて効率が大幅に向上した。^[9] 1996年、グアン・H・リンは作製されたナノ構造による共鳴光吸収と可視域の周波数の光の整流を報告した。^{[9] 2002年、ITNエナジーシステムズ社は、高周波}ダイオードと結合した光アンテナに関する研究報告書を発表した。ITNは、1桁の効率を持つ光レクテナアレイの構築に着手した。彼らは失敗したものの、高効率光レクテナの構築に伴う問題はよりよく理解された。^[6] 

2015年、ジョージア工科大学のBaratunde A. Colaの研究チームは 、カーボンナノチューブを使用した光レクテナという、可視光を直流電流に変換できる太陽エネルギーコレクターを開発しました。^{[10]金属コーティングされた基板上に成長した多層}カーボンナノチューブ（MWCNT）の垂直アレイは、絶縁性の酸化アルミニウムでコーティングされ、金属電極層で覆われていました。ナノチューブの小さな寸法はアンテナとして機能し、光波長を捕捉することができます。MWCNTは、金属-絶縁体-金属（MIM）トンネルダイオードの1つの層としても機能します。MWCNTの先端の直径が小さいため、この組み合わせは、高周波光放射を整流できるダイオードを形成します。このデバイスの全体的な変換効率は約10 ⁻⁵  %です。^[10]それにもかかわらず、光レクテナの研究は進行中です。

これらのカーボンナノチューブ レクテナ デバイスの主な欠点は、空気安定性の欠如です。Cola が最初に報告したデバイス構造では、カルシウムを半透明の上部電極として使用していました。これは、MWCNT (~5 eV) に比べてカルシウム (2.9 eV) の仕事関数が低いため、光整流に必要なダイオード非対称性が生じるためです。ただし、金属カルシウムは空気中で非常に不安定で、急速に酸化します。デバイスの故障を防ぐために、測定は不活性環境のグローブボックス内で行う必要がありました。これにより、デバイスの実用性が制限されていました。

コーラ氏と彼のチームはその後、ダイオード構造を複数の酸化物層に変更することで、デバイスの不安定性に関する課題を解決しました。2018年に、彼らは効率の改善とともに、初の空気中で安定した光レクテナを報告しました。

この新世代レクテナの空気安定性は、ダイオードの量子トンネル障壁を調整することで達成されました。単一の誘電絶縁体の代わりに、複数の異なる酸化物層を使用すると、ダイオードのトンネル障壁が変更され、ダイオードの性能が向上することが示されました。電子親和力の異なる酸化物を使用することで、2つの電極の仕事関数に関係なく、非対称ダイオード応答を生成するように電子トンネルを設計できます。Al ₂ O 3_とHfO 2_の層を使用することで、低仕事関数のカルシウムを必要とせずにダイオードの非対称応答を10倍以上改善する二重絶縁体ダイオード（金属-絶縁体-絶縁体-金属（MIIM））が構築され、その後、上部の金属が空気中で安定した銀に置き換えられました。

今後の取り組みは、代替材料を調査し、MWCNT と絶縁層を操作して界面での伝導を促進し、構造内の抵抗を減らすことで、デバイスの効率を向上させることに重点が置かれる予定です。

光レクテナの理論は、基本的に従来の（ラジオまたはマイクロ波）アンテナと同じです。アンテナに光が入射すると、アンテナ内の電子が入射光と同じ周波数で前後に移動します。これは、入射する電磁波の振動電場によって発生します。電子の動きは、アンテナ回路内の交流（AC）です。これを直流（DC）に変換するには、ACを整流する必要がありますが、これは通常、ダイオードを使用して行います。結果として得られるDC電流は、外部負荷に電力を供給するために使用できます。アンテナの共振周波数（インピーダンスが最も低く、したがって効率が最も高くなる周波数）は、単純なマイクロ波アンテナ理論に従って、アンテナの物理的寸法に比例します。^[6] 太陽スペクトルの波長は、約0.3〜2.0 μmです。^[6]したがって、整流アンテナが太陽スペクトルで効率的な電磁コレクターになるためには、数百nmのオーダーのサイズである必要があります。

一般的な整流アンテナ理論で使用される単純化のため、光レクテナについて議論する際にはいくつかの複雑な問題が生じます。赤外線以上の周波数では、電流のほとんどすべてがワイヤの表面近くを流れるため、ワイヤの有効断面積が減少し、抵抗が増加します。この効果は「表皮効果」とも呼ばれます。純粋にデバイスの観点から見ると、一般化されたベクトル形式のオームの法則は依然として有効ですが、IV 特性はもはやオーム性ではないように見えます。

スケールダウンのもう 1 つの問題は、大規模なレクテナで使用されるダイオードが、大きな電力損失なしに THz 周波数で動作できないことです。^[5]大きな電力損失は、pn 接合ダイオードとショットキー ダイオードに見られる接合容量 (寄生容量とも呼ばれる) の結果であり、5 THz 未満の周波数でのみ効果的に動作します。^[6] 理想的な波長 0.4～1.6 μm は、約 190～750 THz の周波数に相当し、これは一般的なダイオードの能力よりもはるかに大きいです。したがって、効率的な電力変換には、代替ダイオードを使用する必要があります。現在の光レクテナ デバイスでは、金属-絶縁体-金属(MIM)トンネル ダイオードが使用されています。ショットキー ダイオードとは異なり、MIM ダイオードは電子トンネル効果に基づいて動作するため、寄生容量の影響を受けません。このため、MIM ダイオードは約150 THz の周波数で効果的に動作することが示されています。^[6]

光レクテナの最大の利点の1つは、理論効率が高いことです。単接合太陽電池の理論効率（30%）と比較すると、光レクテナは大きな利点があるように見えます。しかし、2つの効率は異なる仮定に基づいて計算されています。レクテナの計算に含まれる仮定は、ソーラーコレクターのカルノー効率の適用に基づいています。カルノー効率ηは次のように表されます。

${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{\text{冷たい}}}{T_{\text{熱い}}}}}$

ここで、T _coldは低温物体の温度、T _{hot は}高温物体の温度です。効率的なエネルギー変換を行うには、2 つの物体の温度差が大きくなければなりません。RL Bailey は、レクテナはカルノー効率に制限されないが、光起電性は制限されると主張しています。しかし、彼はこの主張を裏付ける根拠を示していません。さらに、レクテナの 85% の理論効率を得るために使用されたのと同じ仮定を単接合太陽電池に適用すると、単接合太陽電池の理論効率も 85% を超えます。

光レクテナが半導体光起電装置より優れている最も明らかな点は、レクテナアレイをあらゆる周波数の光を吸収するように設計できることである。光アンテナの共振周波数は、その長さを変えることで選択できる。これは半導体光起電装置より優れている点である。なぜなら、異なる波長の光を吸収するには、異なるバンドギャップが必要になるからである。バンドギャップを変えるには、半導体を合金にするか、まったく別の半導体を使用する必要がある。^[5]

前述のように、光レクテナの大きな制限の1つは、動作周波数です。理想的な波長範囲における光の高周波数では、一般的なショットキーダイオードの使用は実用的ではありません。MIMダイオードは光レクテナでの使用に有望な特性を示していますが、より高い周波数で効率的に動作させるにはさらなる進歩が必要です。^[11]

もう一つの欠点は、現在の光レクテナは電子ビーム（e-ビーム）リソグラフィーを使用して製造されていることです。このプロセスは、e-ビームリソグラフィーでは並列処理が不可能なため、時間がかかり、比較的高価です。通常、e-ビームリソグラフィーは、最小フィーチャサイズ（通常はナノメートルのオーダー）に非常に細かい解像度が必要な場合の研究目的でのみ使用されます。しかし、フォトリソグラフィー技術は、最小フィーチャサイズを数十ナノメートルのオーダーにできるところまで進歩しており、フォトリソグラフィーによってレクテナを製造することが可能になっています。^[11]

概念実証が完了した後、標準的な半導体集積回路製造技術を使用して、実験室規模のシリコン ウェハーが製造されました。電子ビーム リソグラフィーを使用して、ループ アンテナ金属構造のアレイが製造されました。光アンテナは、グランド プレーン、光共振空洞、アンテナの 3 つの主要部分で構成されています。アンテナは電磁波を吸収し、グランド プレーンは光をアンテナに向かって反射し、光共振空洞は光を曲げてグランド プレーンを介してアンテナに向かって集中させます。^[5]この作業にはダイオードの製造は含まれていません。

アイダホ国立研究所は、以下の手順で光アンテナ アレイを製造しました。裸のシリコン ウェーハに金属のグランド プレーンを堆積し、続いてアモルファス シリコン層をスパッタ堆積しました。堆積層の深さは波長の約 4 分の 1 でした。アンテナとして機能するように、薄いマンガン フィルムと金の周波数選択表面 (必要な周波数をフィルタリングするため) を堆積しました。レジストを塗布し、電子ビーム リソグラフィーでパターン化しました。金のフィルムを選択的にエッチングし、レジストを除去しました。

生産規模を拡大するには、電子ビーム リソグラフィーの使用などの実験室での処理手順は時間がかかり、費用もかかります。そのため、マスター パターンに基づく新しい製造技術を使用したロールツーロール製造方法が考案されました。このマスター パターンは、精密なパターンを安価なフレキシブル基板に機械的に刻印し、実験室での処理手順で見られる金属ループ要素を作成します。アイダホ国立研究所で製造されたマスター テンプレートは、8 インチの円形シリコン ウェハー上に約 100 億個のアンテナ要素で構成されています。この半自動プロセスを使用して、アイダホ国立研究所は 4 インチ四方のクーポンを多数製造しました。これらのクーポンを組み合わせて、アンテナ アレイの幅広いフレキシブル シートを形成しました。この作業にはダイオード コンポーネントの製造は含まれていません。

コネチカット大学の研究者は、選択領域原子層堆積法と呼ばれる技術を使用しており、信頼性が高く工業規模で製造することができます。^[12] 可視光と赤外光に最適な周波数に調整する研究が進行中です。

光アンテナ（重要なダイオードやその他のコンポーネントを除いたもの）は、効率を無視すれば、太陽光発電よりも安価です。太陽光発電の材料と処理は高価ですが（現在、太陽光発電モジュール全体のコストは2011年で430米ドル/m ^{2程度で、減少傾向にあります。 [13]}）、Steven Novackは、アンテナ材料自体の現在のコストは2008年で約5〜11米ドル/m ^{2であると見積もっています。 [14]}適切な処理技術とさまざまな材料を選択すれば、処理の全体的なコストは、いったん適切にスケールアップすれば、それほど高くならないと彼は見積もっています。彼のプロトタイプは30 x 61 cmのプラスチックで、2008年には金がわずか0.60米ドルしか含まれておらず、アルミニウム、銅、銀などの材料にダウングレードする可能性がありました。^[15]プロトタイプでは、一般的な処理技術のためシリコン基板を使用しましたが、グランドプレーン材料が適切に接着する限り、理論的には任意の基板を使用できます。

全米公共ラジオのトーク・オブ・ザ・ネイションのインタビューで、ノヴァック博士は、光レクテナは将来的には車の動力源や携帯電話の充電、さらには家の冷房にも使えるようになると主張した。ノヴァック博士は、これらのレクテナは室内の赤外線を吸収して電気を生成し、さらに部屋を冷やすのに使えると主張した。（他の科学者はこれに異議を唱え、熱力学の第二法則に違反すると主張している。^{[16] [17]}）

ダイオードの改良は重要な課題です。2 つの難しい要件があります。速度と非線形性です。まず、ダイオードは可視光を整流するのに十分な速度が必要です。次に、入射光が極端に強い場合を除き、ダイオードは「逆バイアス漏れ」を避けるために、極端に非線形である必要があります (順方向電流が逆方向電流よりはるかに高い)。太陽エネルギー収集の評価では、高効率を得るためには、ダイオードは 1V 逆バイアスで 1μA よりはるかに低い (暗) 電流を必要とすることがわかりました。^[18]この評価では、アンテナが太陽に直接向けられた指向性アンテナ アレイであると (楽観的に) 想定されていました。一般的なシリコン太陽電池のように全天から光を集めるレクテナでは、逆バイアス電流をさらに桁違いに低くする必要があります。(ダイオードは同時に、アンテナとのインピーダンス整合に関連する高い順方向バイアス電流を必要とします。)

高速用の特殊なダイオード（例えば、上で説明した金属-絶縁体-金属トンネルダイオード）や、高非線形性用の特殊なダイオードがありますが、両方の点で同時に優れているダイオードを見つけるのは非常に困難です。

カーボンナノチューブベースのレクテナの効率を向上させるには：

• 低い仕事関数: ダイオードの非対称性を最大化するには、MWCNT 間の大きな仕事関数 (WF) の差が必要です。これにより、光応答を誘発するために必要なターンオン電圧が低下します。カーボンナノチューブの WF は 5 eV、カルシウムトップ層の WF は 2.9 eV であるため、MIM ダイオードの合計仕事関数の差は 2.1 eV になります。
• 高い透明性: 理想的には、入射光が MWCNT アンテナに到達できるように、上部の電極層は透明である必要があります。
• 低い電気抵抗: デバイスの導電性を向上させると、整流された電力出力が増加します。しかし、抵抗がデバイスのパフォーマンスに与える影響は他にもあります。アンテナとダイオード間の理想的なインピーダンス整合により、整流された電力が向上します。構造抵抗を下げると、ダイオードのカットオフ周波数も増加し、光の整流された周波数の有効帯域幅が向上します。現在、最上層にカルシウムを使用する試みは、カルシウムが急速に酸化するため、高い抵抗をもたらします。

研究者たちは現在、アンテナの吸収の約50％をエネルギーに変換できる整流器の開発を望んでいます。^[14] 研究のもう1つの焦点は、このプロセスを量産市場向けに適切に拡大する方法です。ロールツーロール製造プロセスに簡単に適合する新しい材料を選択し、テストする必要があります。将来の目標は、柔軟な基板上にデバイスを製造して、フレキシブルな太陽電池を作成することです。

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