可將光轉化成電的整流天線
2020-11-25 前瞻網可將光轉化成電的整流天線
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前瞻科技10月10日訊，美國喬治亞理工學院（Georgia Tech）的研究者開發出了接收可見光、將其轉換成電的整流天線（rectenna）。整流天線是在天線上組合整流用二極體（rectifier），將電磁波轉換成直流電的器件。發電原理跟利用半導體pn結的太陽能電池完全不同。
目前，可見光用整流天線的轉換效率還不到1％，但開發者認為，隨著今後進一步優化，可以用現有矽類太陽能電池1/10的成本製造轉換效率為40％的光伏發電元件。如果這能夠實現，世界的能源格局將大幅改變。詳細開發成果已刊登在學術雜誌《Nature Nanotechnology》上。
整流天線利用波長為10cm左右的微波可實現高達90％以上的轉換效率。對其大幅小型化、以將光轉換成電的嘗試是從1960年代開始的。不過，當時由於製造技術上的限制，很難製造出波長在10μm長以下的紅外線和可見光使用的整流天線。
此次，美國喬治亞理工學院副教授Baratunde Cola的研究小組作為天線採用金屬型多層碳納米管（CNT）、作為二極體採用MIM（Metal-Insulator-Metal）結構的元件，試製出了可見光用的整流天線。雖然效率低，但可以發電。Cola指出「隨著製造技術提高，挑戰可見光用整流天線的時機已經成熟」。
CNT兼作天線和MIM結構二極體的"M"
製造工藝的概要如下。首先，使多層CNT在導電性基板上垂直生長，形成「CNT林」。然後，採用化學氣相沉積法（CVD），利用非常薄的氧化鋁（Al2O3）膜塗布CNT林。最後，通過濺射在其上形成鈣（Ca）和鋁（Al）薄膜。
層疊在CNT林上的材料對可見光全透明，因此一照射光，光就會到達CNT。結果，CNT首先起到拉杆天線的作用。並且，CNT本身、Al2O3層及Ca/Al層會構成MIM結構的二極體。
由於CNT與Ca的功函數不同，因此電子會由CNT單向流向Ca側。另外，這種MIM結構的二極體充放電時間常數非常小，具有毫微微秒（10-15秒）的高速響應性。這是完全可以支持可見光頻率——幾百THz的響應性。因此，製成的元件可作為針對可見光的整流天線使用。
相關技術已在美國、歐洲、日本和中國申請了專利。
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