droite|vignette|350x350px|Irradiance spectrale des longueurs d'onde dans le spectre solaire. La zone rouge montre l'irradiance au niveau de la mer. Il y a moins d'irradiance au niveau de la mer en raison de l'absorption de la lumière par l'atmosphère.
Une antenne redresseuse optique (en ) est une antenne redresseuse qui fonctionne avec de la lumière visible ou infrarouge. Une antenne redresseuse est un circuit contenant une antenne et une diode, qui transforme les ondes électromagnétiques en électricité en courant continu. Alors que les antennes redresseuses sont utilisées pour les ondes radio ou micro-ondes, une antenne redresseuse optique fonctionne de la même manière mais avec de la lumière infrarouge ou visible, la transformant en électricité.
Alors que les antennes redresseuses traditionnelles (radio et micro-ondes) sont fondamentalement similaires aux antennes redresseuses optiques, il est beaucoup plus difficile en pratique de fabriquer une antenne redresseuse optique. L'un des défis est que la lumière a une fréquence si élevée, des centaines de térahertz pour la lumière visible, que seuls quelques types de diodes spécialisées peuvent commuter assez rapidement pour la redresser. Un autre défi est que les antennes ont tendance à avoir une taille similaire à une longueur d'onde, de sorte qu'une très petite antenne optique nécessite un processus de fabrication nanotechnologique difficile (pour correspondre à l'intervalle compris entre 400 et 800 nm). Un troisième défi est que, étant très petite, une antenne optique absorbe généralement très peu d'énergie et a donc tendance à produire une tension minuscule dans la diode, ce qui entraîne une faible non-linéarité de la diode et donc un faible rendement. En raison de ces défis et d'autres, les antennes redresseuses optiques ont jusqu'à présent été limitées à des démonstrations en laboratoire, généralement avec une lumière laser focalisée intense produisant une quantité de puissance infime mais mesurable.
Néanmoins, on espère que des réseaux d'antennes redresseuses optiques pourraient éventuellement être un moyen efficace de convertir la lumière du soleil en énergie électrique, produisant de l'énergie solaire plus efficacement que les cellules photovoltaïques conventionnelles. L'idée a été proposée pour la première fois par Robert L. Bailey en 1972. En 2012, seuls quelques dispositifs d'antennes redresseuses optiques ont été construits, démontrant seulement que la conversion d'énergie est possiblehttps://www.mat.ucsb.edu/~g.legrady/academic/courses/13f254/lexicon.html. On ne sait pas si elles seront jamais aussi rentables ou efficaces que les cellules photovoltaïques conventionnelles.
Le terme nantenna (nano-antenne) est parfois utilisé pour désigner soit une antenne redresseuse optique, soit une antenne optique en elle-même. En 2008, Idaho National Laboratories a conçu une antenne optique pour absorber les longueurs d'onde dans la gamme de 3 à (infrarouge moyen). Ces longueurs d'onde correspondent à des énergies photoniques de jusqu'à . Sur la base de la théorie des antennes, une antenne optique peut absorber efficacement n'importe quelle longueur d'onde de lumière à condition que la taille de l'antenne soit optimisée pour cette longueur d'onde spécifique. Idéalement, les antennes seraient utilisées pour absorber la lumière à des longueurs d'onde comprises entre car ces longueurs d'onde ont une énergie plus élevée que l'infrarouge lointain (longueur d'onde plus grande) et représentent environ 85 % du spectre de rayonnement solaireBerland, B. "Photovoltaic Technologies Beyond the Horizon: Optical Rectenna Solar Cell." National Renewable Energy Laboratory. National Renewable Energy Laboratory. 13 Apr. 2009 <https://www.nrel.gov/docs/fy03osti/33263.pdf>. (voir illustration ci-contre).
Historique Robert Bailey, avec James C. Fletcher, a reçu un brevet () en 1973 pour un « convertisseur d'énergie des ondes électromagnétiques ». Le dispositif breveté était similaire aux antennes redresseuses optiques modernes. Le brevet traite de l'utilisation d'une diode « du type décrit par [Ali Javan] dans l'IEEE Spectrum, , page 91 », à savoir un détecteur à cristal (une diode à pointe primitive) métallique de de diamètre sur une surface métallique recouverte d'une fine couche d'oxyde. Javan aurait redressé de lumière infrarouge de . En 1974, T. Gustafson et ses coauteurs ont démontré que ces types d'appareils pouvaient redresser même la lumière visible en courant continu. Alvin M. Marks a reçu un brevet en 1984 pour un appareil indiquant explicitement l'utilisation d'antennes submicroniques pour la conversion directe de la puissance lumineuse à la puissance électrique.. L'appareil de Marks a montré des améliorations substantielles de l'efficacité par rapport à l'appareil de Bailey. En 1996, Guang H. Lin a rapporté l'absorption de la lumière résonnante par une nanostructure fabriquée et le redressement de la lumière avec des fréquences dans le spectre visible. En 2002, ITN Energy Systems, Inc. a publié un rapport sur ses travaux sur les antennes optiques couplées à des diodes haute fréquence. ITN a entrepris de construire un réseau d'antennes redresseuses optiques avec une efficacité à un chiffre. Bien qu'ils aient échoué, les problèmes associés à la construction d'une antenne redresseuse optique à haut rendement ont été mieux compris.
En 2015, l'équipe de recherche de au Georgia Institute of Technology a développé un collecteur d'énergie solaire capable de convertir la lumière optique en courant continu, une antenne redresseuse optique utilisant des nanotubes de carbone. Des réseaux verticaux de nanotubes de carbone multi-feuillets (MWCNT) cultivés sur des substrats revêtus de métal ont été recouverts d'oxyde d'aluminium isolant et entièrement recouverts d'une couche d'électrode métallique. Les petites dimensions des nanotubes agissent comme des antennes, capables de capter des longueurs d'onde optiques. Les MWCNT se doublent également d'une couche de diode à effet tunnel (MIM). En raison du petit diamètre des pointes des MWCNT, cette combinaison forme une diode capable de redresser le rayonnement optique à haute fréquence. L'efficacité de conversion globale obtenue de cet appareil est d'environ 10 − 5 %. Néanmoins, la recherche sur les antennes redresseuses optiques se poursuit.
Le principal inconvénient de ces dispositifs redresseurs à nanotubes de carbone est un manque de stabilité à l'air. La structure de l'appareil annoncée à l'origine par Cola utilisait du calcium comme électrode supérieure semi-transparente car le faible travail de sortie du calcium () par rapport aux MWCNT (~ ) crée l'asymétrie de diode nécessaire au redressement optique. Cependant, le calcium métallique est très instable dans l'air et s'oxyde rapidement. Les mesures devaient être effectuées dans une boîte à gants sous un environnement inerte pour éviter la destruction du dispositif. Cela limitait les applications pratiques des dispositifs.
Cola et son équipe ont ensuite résolu les problèmes d'instabilité de l'appareil en modifiant la structure de la diode avec plusieurs couches d'oxyde. En 2018, ils ont annoncé la première antenne redresseuse optique stable à l'air ainsi que des améliorations d'efficacité.
La stabilité à l'air de cette nouvelle génération d'antennes redresseuses a été obtenue en adaptant la barrière à effet tunnel quantique de la diode. Au lieu d'un seul isolant diélectrique, ils ont montré que l'utilisation de plusieurs couches d'oxyde dissemblables améliore les performances de la diode en modifiant la barrière à effet tunnel de la diode. En utilisant des oxydes avec différentes affinités électroniques, l'effet tunnel d'électrons peut être conçu pour produire une réponse de diode asymétrique quelle que soit le travail de sortie des deux électrodes. En utilisant des couches d' et de , une diode à double isolant (métal-isolant-isolant-métal, MIIM) a été construite et a amélioré la réponse asymétrique de la diode de plus de 10 fois sans avoir besoin de calcium à faible travail de sortie, et le métal supérieur a ensuite été remplacé par de l'argent stable à l'air.
Des efforts futurs ont été entrepris pour améliorer l'efficacité du dispositif en étudiant des matériaux alternatifs, en manipulant les MWCNT et les couches isolantes pour encourager la conduction à l'interface et réduire les résistances au sein de la structure.
Théorie La théorie derrière les antennes redresseuses optiques est la même que pour les antennes redresseuses traditionnelles (radio ou micro-ondes). La lumière incidente sur l'antenne fait aller et venir les électrons de l'antenne à la même fréquence que la lumière entrante. Ceci est causé par le champ électrique oscillant de l'onde électromagnétique entrante. Le mouvement des électrons est un courant alternatif dans le circuit d'antenne. Pour être converti en courant continu, ce courant alternatif doit être redressé, ce qui se fait généralement avec une diode. Le courant continu résultant peut ensuite être utilisé pour alimenter une charge externe. La fréquence de résonance des antennes (fréquence qui se traduit par la plus faible impédance et donc la plus grande efficacité) évolue linéairement avec les dimensions physiques de l'antenne selon la théorie simple des antennes micro-ondes. Les longueurs d'onde du spectre solaire vont d'environ 0,3 à . Ainsi, pour qu'une antenne redresseuse soit un collecteur électromagnétique efficace dans le spectre solaire, elle doit avoir une taille de l'ordre de centaines de nm.
En raison des simplifications utilisées dans la théorie typique des antennes redresseuses, plusieurs complications surviennent lors de la conception des antennes redresseuses optiques. Aux fréquences supérieures à l'infrarouge, presque tout le courant est transporté près de la surface du fil, ce qui réduit la section transversale efficace du fil, entraînant une augmentation de la résistance : c'est l'effet de peau. D'un point de vue purement périphérique, les caractéristiques ne sembleraient plus ohmiques, même si la loi d'Ohm, dans sa forme vectorielle généralisée, est toujours valable.
Une autre complication de la réduction d'échelle est que les diodes utilisées dans les antennes redresseuses à plus grande échelle ne peuvent pas fonctionner à des fréquences aussi élevées (en THz) sans grande perte de puissance. La grande perte de puissance est le résultat de la capacité électrique parasite trouvée dans les diodes à jonction p-n et les diodes Schottky, qui ne peuvent fonctionner efficacement qu'à des fréquences inférieures à . Les longueurs d'onde idéales de 0,4 à correspondent à des fréquences d'environ 190–, ce qui est beaucoup plus grand que les capacités des diodes typiques. Par conséquent, des diodes alternatives doivent être utilisées pour une conversion de puissance efficace. Dans les dispositifs à antennes redresseuses optiques actuels, des diodes à effet tunnel (MIM) sont utilisées. Contrairement aux diodes Schottky, les diodes MIM ne sont pas affectées par les capacités parasites car elles fonctionnent sur la base de l'effet tunnel d'électrons. Pour cette raison, il a été démontré que les diodes MIM fonctionnent efficacement à des fréquences d'environ .
Avantages L'un des plus grands avantages revendiqués des antennes redresseuses optiques est leur efficacité théorique élevée. Par rapport à l'efficacité théorique des cellules solaires à simple jonction (30%), les redresseurs optiques semblent avoir un avantage significatif. Cependant, les deux efficacités sont calculées en utilisant des hypothèses différentes. Les hypothèses intervenant dans le calcul des antennes redresseuses sont basées sur l'application du rendement Carnot des capteurs solaires. L'efficacité de Carnot, η, est donnée par