光レクテナ
電子部品
図1. 太陽スペクトルの各波長における分光放射照度。赤い網掛け部分は海面での放射照度を示しています。海面での放射照度は、大気による光の吸収により低くなります。

光レクテナは、可視光または赤外光で動作するレクテナ（整流アンテナ）です。 [1]レクテナは、アンテナとダイオードを含む回路で、電磁波を直流 電気に変換します。レクテナは古くから電波やマイクロ波に使用されてきましたが、光レクテナは赤外線や可視光でも同じように動作し、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るが、実際には光レクテナを作るのは非常に困難である。課題の 1 つは、光の周波数が非常に高い（可視光で数百テラヘルツ）ため、それを整流するのに十分な速さで切り替えることができるのは、いくつかの種類の特殊なダイオードだけである。もう 1 つの課題は、アンテナは波長と同程度の大きさ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ある。3 つ目の課題は、光アンテナは非常に小さいため、通常は吸収する電力が非常に少なく、したがってダイオードに小さな電圧を生成する傾向があり、ダイオードの非線形性が低下し、したがって効率が低くなることである。これらの課題やその他の課題により、これまでのところ光レクテナは実験室でのデモンストレーションに限定されており、通常は強力に焦点を絞っ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だけである。

それでも、光レクテナアレイは、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を行うことが可能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年現在、光レクテナデバイスはごく少数しか構築されておらず、エネルギー変換が可能であることが実証されているに過ぎません。[3]従来の太陽電池 と同等の費用対効果や効率性を持つよう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場合もあります。[4] 2008 年にアイダホ国立研究所が 3～15 μm の範囲の波長を吸収する光アンテナを設計したと報告されました。[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相当します。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、どの波長の光でも効率的に吸収できます。理想的には、アンテナは0.4 ～ 1.6 μm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)。

歴史

ロバート・ベイリーは、ジェームズ・C・フレッチャーと共に、1973年に「電磁波エネルギー変換器」に関する特許（ US 3760257 ）を取得しました。この特許取得装置は、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1971年10月のIEEE Spectrum誌91ページで説明したタイプの」ダイオード、すなわち直径100nmの金属のひげを薄い酸化物層で覆われた金属表面に整流するダイオードの使用について言及されています。ジャヴァンは58THzの赤外線を整流したと報告されています。1974年、T・グスタフソンと共著者は、この種の装置が可視光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用いて光エネルギーを電力に直接変換することを明示的に規定し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における光の整流を報告した。[9] 2002年、ITN Energy Systems, Inc.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桁台の効率を持つ光レクテナアレイの構築を目指した。この試みは失敗に終わったものの、高効率光レクテナの構築に伴う課題はより深く理解された。[6] 

2015年、ジョージア工科大学のBaratunde A. Colaの研究チームは 、光を直流電流に変換できる太陽エネルギーコレクター、カーボンナノチューブを使用した光レクテナを開発した。[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、金属電極層で全体が覆われている。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る。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する。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する。このデバイスの全体的な変換効率は約10 −5  %である。[10]それにもかかわらず、光レクテナの研究は進行中である。

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、空気中での安定性の欠如です。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（約5 eV）に比べてカルシウムの仕事関数が低い（2.9 eV）ため、光整流に必要なダイオード非対称性が得られるためです。しかし、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。デバイスの破壊を防ぐため、測定は不活性環境下のグローブボックス内で行う必要がありました。このため、デバイスの実用化は限定的でした。

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で改良することで、デバイスの不安定性という課題を解決しました。2018年には、効率向上に加え、空気中で安定な光レクテナを初めて報告しました。

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実現しました。単一の誘電体絶縁体の代わりに、複数の異なる酸化物層を使用することで、ダイオードのトンネル障壁を変化させ、ダイオードの性能を向上させることを実証しました。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わらず、非対称な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、上部の金属は空気中で安定した銀に置き換えられました。

今後の取り組みでは、代替材料を調査し、MWCNT と絶縁層を操作してインターフェースでの伝導を促進し、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ことになります。

2022年にイタリア工科大学のProietti Zaccaria Remoと共同研究者らは、アンテナと整流器を単一のプラズモニックベースのソリューションに統合したトップダウンソリューションに基づく別のアプローチを発表した。[11]提案されたレクテナは、1064 nmで単一およびマトリックス形式の両方でテストされ、10 −3 %の効率を達成した 。さらに、実験的および理論的分析の両方が780 nmで実施され、プラズモニックベースのレクテナが可視範囲で高性能レクテナを実現するための実行可能なアプローチとして機能する可能性があることを示唆する肯定的な結果が得られた。このソリューションは大きな前進を示しているが、光レクテナが実用化に必要な1%の効率しきい値に到達するのを妨げるいくつかの課題が残っている。主な障害には、入射放射条件（入射角など）に関係なく光共鳴を達成することと、整流器の性能を向上させることが含まれる。

理論

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。アンテナに入射光が当たると、アンテナ内の電子は入射光と同じ周波数で前後に移動します。これは、入射電磁波の振動電場によって発生します。電子の動きは、アンテナ回路内で交流（AC）となります。これを直流（DC）に変換するには、ACを整流する必要があり、これは通常ダイオードを用いて行います。得られたDC電流は、外部負荷への電力供給に使用できます。アンテナの共振周波数（インピーダンスが最も低くなり、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て変化します。[6] 太陽スペクトルの波長は、およそ0.3～2.0 μmです。[6]そのため、整流アンテナが太陽スペクトルにおいて効率的な電磁コレクターとなるためには、数百nm程度の大きさである必要があります。

図3. 高周波における表皮効果を示す画像。表面の暗い領域は電子の流れを示し、内部の明るい領域は電子の流れがほとんどないか全くないことを示しています。

一般的な整流アンテナ理論で用いられる単純化のため、光レクテナを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、電流のほぼすべてが電線の表面付近を流れるため、電線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あるにもかかわらず、IV特性はもはやオーミック特性ではないように見えます。

スケールダウンのもう1つの複雑な点は、大規模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]この大きな電力損失は、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）によるもので、5THz未満の周波数でのみ効率的に動作します。[6] 理想的な波長0.4～1.6μmは約190～750THzの周波数に相当し、これは一般的なダイオードの能力をはるかに上回ります。したがって、効率的な電力変換のためには、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150THzの周波数で効率的に動作することが実証されています。[6]

利点

光レクテナの最大の利点の一つは、その高い理論効率です。単接合型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、この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、太陽光集熱器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。

η ＝ 1 − T 寒い T 熱い {\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つの物体間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の制限を受けないが、太陽光発電は制限を受け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、レクテナの理論効率85%を得るために用いられたのと同じ仮定を単接合型太陽電池に適用すると、単接合型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太陽光発電に対して持つ最も明白な利点は、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す。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ます。これは半導体太陽光発電に対する利点です。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だからです。バンドギャップを変えるには、半導体を合金化するか、全く異なる半導体を使用する必要があります。[5]

制限と欠点

前述のように、光レクテナの大きな制約の一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のため、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への応用において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。[12]

もう一つの欠点は、現在の光レクテナが電子ビーム（e-beam）リソグラフィーを用いて製造されていることです。e-beamリソグラフィーでは並列処理が不可能なため、このプロセスは遅く、比較的高価です。通常、e-beamリソグラフィーは、最小加工寸法（典型的にはナノメートル単位）において極めて微細な解像度が求められる研究目的にのみ使用されます。しかし、フォトリソグラフィー技術の進歩により、最小加工寸法を数十ナノメートル単位にすることが可能となり、フォトリソグラフィーによるレクテナの製造が可能になりました。[12]

生産

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用いて実験室規模のシリコンウエハーが製造された。電子ビームリソグラフィーを用いて、ループアンテナ金属構造のアレイが製造された。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つの主要部分から構成される。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けて反射し、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けて集光する。[5]この研究にはダイオードの製造は含まれていない。

リソグラフィー法

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た。まず、ベアシリコンウエハ上に金属グランドプレーンを堆積し、続いてスパッタリングによってアモルファスシリコン層を堆積した。堆積層の深さは波長の約4分の1であった。次に、アンテナとして機能するマンガン薄膜と、必要な周波数をフィルタリングする金の周波数選択表面を堆積した。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形成した。金薄膜を選択的にエッチングし、レジストを除去した。

ロールツーロール製造

より大きな生産規模に移行する場合、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ステップは時間がかかり、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する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、安価なフレキシブル基板上に精密パターンを機械的に刻印し、実験室での処理ステップ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（商用ではなく材料科学用のもの）を組み合わせて、アンテナアレイの幅広の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。

原子層堆積

コネチカット大学の研究者たちは、選択領域原子層堆積法と呼ばれる技術を用いて、信頼性の高い工業規模での生産を可能にしています。[13] 可視光と赤外光に最適な周波数に調整するための研究が進行中です。

光アンテナの経済性

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単体）は、太陽光発電よりも安価です（効率を無視した場合）。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年で約430米ドル/m 2で、減少傾向にあります。[14]）、Steven Novack 氏は、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。[15]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、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できる可能性がありました。[16]試作品では、使い慣れた加工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されていれば、理論的にはどのような基板でも使用できます。

今後の研究と目標

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が将来的には車の動力源、携帯電話の充電、さらには家の冷房にも利用でき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、発電することで部屋の冷房効果を高めると主張した。（他の科学者たちは、これは熱力学第二法則に違反するとしてこれに異議を唱えている。[17] [18]）

ダイオードの改良は重要な課題です。課題となる要件は2つあります。速度と非線形性です。第一に、ダイオードは可視光を整流するのに十分な速度を備えていなければなりません。第二に、入射光が極めて強烈でない限り、ダイオードは「逆バイアスリーク」を避けるために、極めて非線形（順方向電流が逆方向電流よりもはるかに高い）である必要があります。太陽エネルギー収集に関する評価では、高い効率を得るためには、ダイオードの（暗）電流は1Vの逆バイアスで1μAよりもはるかに低い必要があることがわかりました。[19]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。典型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も必要とします。）

高速用の特殊なダイオード（前述の金属-絶縁体-金属トンネルダイオードなど）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し、光応答を誘発するために必要なターンオン電圧を低減するには、MWCNT間の仕事関数（WF）の差を大きくする必要があります。カーボンナノチューブの仕事関数は5 eV、カルシウム最上層のWFは2.9 eVであるため、MIMダイオード全体の仕事関数の差は2.1 eVとなります。
  • 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。
  • 低電気抵抗：デバイスの導電性を向上させると、整流出力が向上します。しかし、抵抗がデバイスの性能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は、整流出力を向上させます。構造抵抗を低減することでダイオードのカットオフ周波数も向上し、結果として整流された光周波数の有効帯域幅が拡大します。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、高い抵抗が発生します。

研究者たちは現在、アンテナの吸収エネルギーの約50%をエネルギーに変換できる整流器の開発を目指しています。[15] もう一つの研究の焦点は、このプロセスを適切にスケールアップし、量産体制を構築することです。ロールツーロール製造プロセスに容易に適合する新しい材料を選択し、試験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、フレキシブル太陽電池を開発することです。

参照

参考文献

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  • ノバソリックス公式ウェブサイト
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