Rectenne Optique: Production d'énergie à partir de la chaleur

Par Fouad Sabry

Qu'est-ce que la rectenna optique

Une rectenna qui fonctionne avec de la lumière visible ou infrarouge est appelée rectenna optique. La transformation des ondes électromagnétiques en électricité à courant continu est réalisée à l'aide d'une rectenna, qui est un circuit composé à la fois d'une antenne et d'une diode. Une rectenna optique fonctionnerait de la même manière qu'une rectenna radio ou micro-ondes, mais elle convertirait la lumière infrarouge ou visible en électricité au lieu d'ondes radio ou de micro-ondes. Les rectennas sont utilisées depuis longtemps.

Comment vous en bénéficierez

(I) Insights et validations sur les sujets suivants :

Chapitre 1 : Rectenne optique

Chapitre 2 : Photodiode

Chapitre 3 : Bande interdite

Chapitre 4 : Arséniure de gallium

Chapitre 5 : Rectenne

Chapitre 6 : Semi-conducteur à large bande interdite

Chapitre 7 : Phosphure d'indium

Chapitre 8 : Photodétecteur

Chapitre 9 : Effet photovoltaïque

Chapitre 10 : Thermophotovoltaïque

Chapitre 11 : Cellule solaire hybride

Chapitre 12 : Cellule photovoltaïque de troisième génération

Chapitre 13 : Cellule solaire multi-jonctions

Chapitre 14 : Nanotubes de carbone dans le photovoltaïque

Chapitre 15 : Cellule solaire organique

Chapitre 16 : Solide

Chapitre 17 : Limite de Shockley-Queisser

Chapitre 18 : Film conducteur transparent

Chapitre 19 : Cellule solaire plasmonique

Chapitre 20 : Recherche sur les cellules solaires

Chapitre 21 : Photovoltaïque sans soleil

(II) Répondre aux principales questions du public sur le droit optique nna.

(III) Exemples concrets d'utilisation de rectenna optique dans de nombreux domaines.

(IV) 17 annexes pour expliquer brièvement 266 technologies émergentes dans chaque industrie à avoir Compréhension complète à 360 degrés des technologies de rectenna optique.

À qui s'adresse ce livre

Professionnels, étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs, passionnés, amateurs et ceux qui veulent aller au-delà des connaissances ou des informations de base pour tout type de redresseur optique.

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 17 oct. 2022

Aperçu du livre

Copyright

Optical Rectenna Copyright © 2022 par Fouad Sabry. Tous droits réservés.

Tous droits réservés. Aucune partie de ce livre ne peut être reproduite sous quelque forme ou par quelque moyen électronique ou mécanique, y compris les systèmes de stockage et de récupération de l’information, sans l’autorisation écrite de l’auteur. La seule exception est faite par un examinateur, qui peut citer de courts extraits dans une critique.

Couverture dessinée par Fouad Sabry.

Ce livre est une œuvre de fiction. Les noms, les personnages, les lieux et les incidents sont soit des produits de l’imagination de l’auteur, soit utilisés de manière fictive. Toute ressemblance avec des personnes réelles, vivantes ou mortes, des événements ou des lieux est entièrement fortuite.

Bonus

Vous pouvez envoyer un e-mail à [e-mail] avec pour objet « Optical Rectenna: Generating power from heat », et vous recevrez un e-mail contenant les premiers chapitres de ce livre.

Fouad Sabry

Visitez le site Web de 1BK à l’adresse

www.1BKOfficial.org

Préface

Pourquoi ai-je écrit ce livre ?

L’histoire de l’écriture de ce livre a commencé en 1989, alors que j’étais étudiant à l’école secondaire des étudiants avancés.

C’est remarquablement comme les écoles STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics), qui sont maintenant disponibles dans de nombreux pays avancés.

STEM est un programme basé sur l’idée d’éduquer les étudiants dans quatre disciplines spécifiques - science, technologie, ingénierie et mathématiques - dans une approche interdisciplinaire et appliquée. Ce terme est généralement utilisé pour désigner une politique éducative ou un choix de programme dans les écoles. Elle a des répercussions sur le perfectionnement de la main-d’œuvre, les préoccupations en matière de sécurité nationale et la politique d’immigration.

Il y avait un cours hebdomadaire dans la bibliothèque, où chaque élève est libre de choisir n’importe quel livre et de lire pendant 1 heure. L’objectif de la classe est d’encourager les élèves à lire des matières autres que le programme éducatif.

Dans la bibliothèque, alors que je regardais les livres sur les étagères, j’ai remarqué d’énormes livres, totalisant 5 000 pages en 5 parties. Le nom du livre est « L’Encyclopédie de la technologie », qui décrit tout ce qui nous entoure, duzéro absolu aux semi-conducteurs, presque toutes les technologies, à cette époque, ont été expliquées avec des illustrations colorées et des mots simples. J’ai commencé à lire l’encyclopédie, et bien sûr, je n’ai pas pu la terminer dans le cours hebdomadaire de 1 heure.

J’ai donc convaincu mon père d’acheter l’encyclopédie. Mon père m’a acheté tous les outils technologiques au début de ma vie, le premier ordinateur et la première encyclopédie technologique, et les deux ont un grand impact sur moi et ma carrière.

J’ai terminé toute l’encyclopédie pendant les mêmes vacances d’été de cette année, puis j’ai commencé à voir comment l’univers fonctionne et comment appliquer ces connaissances aux problèmes quotidiens.

Ma passion pour la technologie a commencé il y a plus de 30 ans et le voyage continue.

Ce livre fait partie de « L’Encyclopédie des technologies émergentes » qui est ma tentative de donner aux lecteurs la même expérience étonnante que j’ai eue quand j’étais au lycée, mais au lieu des technologies du 20ème siècle, je suis plus intéressé par les technologies émergentes du 21ème siècle, les applications et les solutions industrielles.

« L’Encyclopédie des technologies émergentes » sera composée de 365 livres, chaque livre sera axé sur une seule technologie émergente. Vous pouvez lire la liste des technologies émergentes et leur catégorisation par industrie dans la partie « Bientôt disponible », à la fin du livre.

365 livres pour donner aux lecteurs la possibilité d’accroître leurs connaissances sur une seule technologie émergente chaque jour au cours d’une période d’un an.

Introduction

Comment ai-je écrit ce livre ?

Dans chaque livre de « The Encyclopedia of Emerging Technologies », j’essaie d’obtenir des informations de recherche instantanées et brutes, directement de l’esprit des gens, en essayant de répondre à leurs questions sur la technologie émergente.

Il y a 3 milliards de recherches Google chaque jour, et 20% d’entre elles n’ont jamais été vues auparavant. Ils sont comme une ligne directe vers les pensées des gens.

Parfois, c’est 'Comment puis-je enlever le bourrage papier'. D’autres fois, ce sont les peurs déchirantes et les désirs secrets qu’ils n’oseraient jamais partager qu’avec Google.

Dans ma quête pour découvrir une mine d’or inexploitée d’idées de contenu sur « Optical Rectenna », j’utilise de nombreux outils pour écouter les données de saisie semi-automatique des moteurs de recherche comme Google, puis je lance rapidement chaque phrase et question utile, les gens posent autour du mot-clé « Optical Rectenna ».

C’est une mine d’or de perspicacité des gens, que je peux utiliser pour créer du contenu, des produits et des services frais et ultra-utiles. Les gens gentils, comme vous, veulent vraiment.

Les recherches de personnes sont l’ensemble de données le plus important jamais collecté sur la psyché humaine. Par conséquent, ce livre est un produit vivant, et constamment mis à jour par de plus en plus de réponses à de nouvelles questions sur « Optical Rectenna », posées par des gens, tout comme vous et moi, s’interrogeant sur cette nouvelle technologie émergente et aimeraient en savoir plus à ce sujet.

L’approche pour écrire ce livre est d’obtenir un niveau plus profond de compréhension de la façon dont les gens recherchent autour de « Optical Rectenna », révélant des questions et des requêtes auxquelles je ne penserais pas nécessairement par cœur, et répondant à ces questions avec des mots super faciles et digestes, et de naviguer dans le livre d’une manière simple.

Donc, quand il s’agit d’écrire ce livre, j’ai veillé à ce qu’il soit aussi optimisé et ciblé que possible. Le but de ce livre est d’aider les gens à mieux comprendre et à développer leurs connaissances sur « Optical Rectenna ». J’essaie de répondre aux questions des gens aussi fidèlement que possible et de montrer beaucoup plus.

C’est une façon fantastique et belle d’explorer les questions et les problèmes que les gens ont et d’y répondre directement, et d’ajouter de la perspicacité, de la validation et de la créativité au contenu du livre – même des pitchs et des propositions. Le livre révèle des domaines de recherche riches, moins encombrés et parfois surprenants que je n’atteindrais pas autrement. Il ne fait aucun doute qu’il devrait accroître la connaissance de l’esprit des lecteurs potentiels, après avoir lu le livre en utilisant cette approche.

J’ai appliqué une approche unique pour rendre le contenu de ce livre toujours frais. Cette approche dépend de l’écoute de l’esprit des gens, en utilisant les outils d’écoute de recherche. Cette approche m’a aidé à :

Rencontrez les lecteurs exactement là où ils se trouvent, afin que je puisse créer un contenu pertinent qui touche une corde sensible et favorise une meilleure compréhension du sujet.

Gardez le doigt sur le pouls, afin que je puisse obtenir des mises à jour lorsque les gens parlent de cette technologie émergente de nouvelles façons, et surveiller les tendances au fil du temps.

Découvrez des trésors cachés de questions ont besoin de réponses sur la technologie émergente pour découvrir des informations inattendues et des niches cachées qui renforcent la pertinence du contenu et lui donnent un avantage gagnant.

Les éléments constitutifs de la rédaction de ce livre sont les suivants :

(1) J’ai cessé de perdre du temps sur le contenu voulu par les lecteurs, j’ai rempli le contenu du livre avec ce dont les gens ont besoin et j’ai dit au revoir aux idées de contenu sans fin basées sur des spéculations.

(2) J’ai pris des décisions solides, et pris moins de risques, pour être aux premières loges de ce que les gens veulent lire et savoir – en temps réel – et utiliser les données de recherche pour prendre des décisions audacieuses, sur les sujets à inclure et les sujets à exclure.

(3) J’ai rationalisé ma production de contenu pour identifier les idées de contenu sans avoir à passer manuellement au crible les opinions individuelles pour gagner des jours et même des semaines de temps.

C’est merveilleux d’aider les gens à accroître leurs connaissances d’une manière simple en répondant simplement à leurs questions.

Je pense que l’approche de l’écriture de ce livre est unique car elle rassemble et suit les questions importantes posées par les lecteurs sur les moteurs de recherche.

Remerciements

Écrire un livre est plus difficile que je ne le pensais et plus gratifiant que je n’aurais jamais pu l’imaginer. Rien de tout cela n’aurait été possible sans le travail accompli par des chercheurs prestigieux, et je tiens à souligner leurs efforts pour accroître les connaissances du public sur cette technologie émergente.

Dédicace

Pour les éclairés, ceux qui voient les choses différemment et veulent que le monde soit meilleur, ils n’aiment pas le statu quo ou l’État existant. Vous pouvez trop être en désaccord avec eux, et vous pouvez discuter encore plus avec eux, mais vous ne pouvez pas les ignorer, et vous ne pouvez pas les sous-estimer, parce qu’ils changent toujours les choses ... Ils poussent la race humaine en avant, et tandis que certains peuvent les voir comme des fous ou des amateurs, d’autres voient du génie et des innovateurs, parce que ceux qui sont assez éclairés pour penser qu’ils peuvent changer le monde, sont ceux qui le font, et conduisent les gens à l’illumination.

Épigraphe

Une rectenna qui fonctionne avec la lumière visible ou infrarouge est appelée rectenna optique. La transformation des ondes électromagnétiques en électricité à courant continu est réalisée à l’aide d’une rectenna, qui est un circuit composé à la fois d’une antenne et d’une diode. Un rectenna optique fonctionnerait de la même manière qu’un rectenna radio ou micro-ondes, mais il convertirait la lumière infrarouge ou visible en électricité au lieu d’ondes radio ou de micro-ondes. Les rectennas sont utilisés depuis longtemps.

Table des matières

Copyright

Bonus

Préface

Introduction

Remerciements

Dédicace

Épigraphe

Table des matières

Chapitre 1 : Rectenna optique

Chapitre 2 : Photodiode

Chapitre 3 : Écart de bande

Chapitre 4 : Rectenna

Chapitre 5 : Semi-conducteurs à large bande interdite

Chapitre 6 : Phosphure d’indium

Chapitre 7 : Efficacité quantique

Chapitre 8 : Photodétecteur

Chapitre 9 : Effet photovoltaïque

Chapitre 7 : Chauffage urbain

Chapitre 11 : Cellule solaire hybride

Chapitre 12 : Nanophotonique

Chapitre 13 : Cellule photovoltaïque de troisième génération

Chapitre 14 : Les nanotubes de carbone dans le photovoltaïque

Chapitre 15 : Cellule solaire organique

Chapitre 16 : Panneau sandwich

Chapitre 17 : Réseau neuronal physique

Chapitre 18 : Film conducteur transparent

Chapitre 19 : Cellule solaire plasmonique

Chapitre 20 : Recherche sur les cellules solaires

Chapitre 21 : Photovoltaïque sans soleil

Épilogue

À propos de l’auteur

À venir

Annexes : Technologies émergentes dans chaque industrie

Chapitre 1 : Rectenna optique

Une rectenna (également connue sous le nom d’antenne de redressement) qui fonctionne avec une lumière visible ou infrarouge est appelée rectenna optique. La transformation des ondes électromagnétiques en électricité à courant continu est réalisée à l’aide d’une rectenna, qui est un circuit composé à la fois d’une antenne et d’une diode. Les rectennas sont utilisés depuis longtemps pour recevoir des ondes radio ou des micro-ondes; Cependant, un rectenna optique fonctionnerait de la même manière, mais avec la lumière infrarouge ou visible, la convertissant en électricité.

Malgré le fait que les rectennas optiques sont conceptuellement comparables aux rectennas ordinaires (radio et micro-ondes), il est beaucoup plus difficile de construire un rectenna optique. Parce que la fréquence de la lumière est si élevée – des centaines de térahertz pour la lumière visible – il n’y a que quelques variétés sélectionnées de diodes spécialisées qui peuvent basculer assez rapidement pour la corriger. Cela représente un obstacle. Parce que les antennes ont généralement une taille comparable à une longueur d’onde, la production d’une très petite antenne optique nécessite l’utilisation d’une technique nanotechnologique complexe. C’est encore un autre obstacle. Le fait qu’une antenne optique soit souvent extrêmement petite signifie qu’elle absorbe normalement relativement peu d’énergie. En conséquence, ils ont tendance à créer une tension minuscule dans la diode, ce qui entraîne une faible non-linéarité de la diode et, par conséquent, une faible efficacité. Cela présente une troisième difficulté. En raison de ces obstacles et d’autres, les rectennas optiques n’ont été utilisés que dans des démonstrations en laboratoire jusqu’à présent. Ces démonstrations en laboratoire comprennent généralement une lumière laser intensément concentrée, qui génère une quantité négligeable mais quantifiable de puissance.

Malgré cela, il y a de l’optimisme que les réseaux de rectennas optiques pourraient un jour s’avérer être une méthode efficace pour transformer la lumière du soleil en énergie électrique, créant ainsi de l’électricité solaire à un taux supérieur à celui des cellules solaires traditionnelles. Robert L. Bailey a fait la première suggestion pour le concept en 1972. Il n’est pas certain à l’heure actuelle si elles seront un jour aussi rentables ou efficaces que les cellules solaires traditionnelles.

Il est possible de se référer à un rectenna optique en utilisant le mot « nantenna », qui est l’abréviation de « nano-antenne », alternativement, une antenne optique seule.

Actuellement, Idaho National Laboratories a conçu une antenne optique pour absorber des longueurs d’onde comprises entre 3 et 15 μm.

(voir la figure 1).

Un « convertisseur d’énergie d’ondes électromagnétiques » développé par Robert Bailey et James C. Fletcher a obtenu un brevet aux États-Unis en 1973 avec le numéro US 3760257. L’appareil breveté était comparable aux rectennas optiques utilisés de nos jours. Le brevet décrit l’application d’une diode du « type décrit par [Ali Javan] dans le spectre IEEE, octobre 1971, page 91 », à savoir une moustache de chat métallique d’un diamètre de 100 nanomètres qui est attachée à une surface métallique recouverte d’une fine couche d’oxyde. Il a été déclaré que Javan avait réussi à inverser 58 THz de rayonnement infrarouge. En 1974, T. En 1996, Guang H. Lin a révélé l’absorption de la lumière résonante par une nanostructure fabriquée et la rectification de la lumière avec des fréquences dans la gamme visible. Gustafson et ses coauteurs ont prouvé que ces types d’appareils pouvaient corriger même la lumière visible en courant continu. Malgré cela, la recherche sur le rectenna optique est toujours en cours.

Ces dispositifs rectenna en nanotubes de carbone souffrent d’un manque de stabilité à l’air, ce qui est l’inconvénient fondamental de ces dispositifs. Le calcium a été utilisé comme électrode supérieure semi-transparente dans la structure de l’appareil initialement signalée par Cola. Cela a été fait parce que la faible fonction de travail du calcium (2,9 eV) par rapport à la fonction de travail des MWCNT (5 eV) crée l’asymétrie de diode nécessaire à la rectification optique. Cependant, le calcium métallique est très volatil lorsqu’il est exposé à l’air et s’oxyde en peu de temps. Afin d’éviter le dysfonctionnement de l’instrument de mesure, les mesures ont dû être effectuées à l’intérieur d’une boîte à gants dans une atmosphère stérile. En raison de leur utilisation restreinte dans le monde réel, les gadgets.

Plus tard, Cola et ses collègues ont surmonté les difficultés causées par l’instabilité de l’appareil en modifiant la construction de la diode pour inclure de nombreuses couches d’oxyde. En 2018, ils ont annoncé le développement du premier rectenna optique stable à l’air ainsi que des avancées en matière d’efficacité.

Cette nouvelle génération de rectenna a pu accomplir sa stabilité à l’air grâce à une certaine personnalisation faite à la barrière à effet tunnel quantique de la diode.

Plutôt que de s’appuyer sur un seul isolant diélectrique, ils ont démontré que l’augmentation du nombre de couches d’oxyde avec des compositions variables peut améliorer les performances de la diode en modifiant la barrière de tunnel de la diode.

Grâce à l’utilisation d’oxydes ayant des affinités électroniques variables, quelle que soit la différence de fonction de travail entre les deux électrodes, le tunnel électronique peut être fait pour créer une réponse de diode asymétrique si les conditions sont bonnes.

En utilisant des couches d’Al 2 O 3 et HfO2, la réponse asymétrique d’une diode a été plus que décuplée avec la construction d’une diode à double isolant connue sous le nom de diode métal-isolant-isolant-métal (MIIM). Cela a été accompli sans avoir besoin d’une fonction de travail faible. Le calcium, l’argent, qui n’est pas affecté par l’air, a finalement pris sa position en tant que métal primaire.

À l’avenir, des tentatives seront faites pour augmenter l’efficacité de l’appareil en examinant de nouveaux matériaux, en modifiant les MWCNT et les couches isolantes pour stimuler la conduction à l’interface et réduire les résistances à l’intérieur de la structure.

La théorie selon laquelle derrière les rectennas optiques est, à toutes fins utiles, équivalente à celle qui sous-tend les rectennas conventionnels (radio ou micro-ondes). Lorsque la lumière frappe l’antenne, elle déclenche une réaction en chaîne qui fait circuler les électrons à l’intérieur de l’antenne d’avant en arrière à la même fréquence que la lumière. C’est parce que l’onde électromagnétique entrante a un champ électrique fluctuant qui provoque cet effet. Dans le circuit qui compose l’antenne, le flux d’électrons produit un courant alternatif (AC). Le courant alternatif (AC) doit être rectifié avant de pouvoir être transformé en courant continu (DC), ce qui est généralement fait à l’aide d’une diode. Après cela, le courant continu qui a été produit peut être utilisé pour alimenter une charge externe. Selon la théorie de base des antennes micro-ondes, la fréquence de résonance des antennes (la fréquence qui entraîne la plus faible impédance et donc la plus grande efficacité) évolue linéairement avec la taille physique de l’antenne. C’est la fréquence qui se traduit par la plus grande efficacité. Pour cette raison, une antenne de redressement doit avoir une taille de l’ordre de centaines de nm pour être un collecteur électromagnétique efficace dans le spectre solaire.

Lorsque l’on considère les rectennas optiques, il y a un certain nombre de complexités qui résultent des simplifications utilisées dans la théorie conventionnelle de l’antenne de redressement. Parce que pratiquement tout le courant est transporté près de la surface du fil à des fréquences supérieures à l’infrarouge, la section efficace du fil est réduite, ce qui entraîne une augmentation de la résistance du fil. Le terme « effet de peau » a également été utilisé pour désigner ce phénomène. Même si la loi d’Ohm, dans sa version vectorielle généralisée, est toujours valable, les caractéristiques I-V pourraient donner l’impression qu’elles ne sont plus ohmiques. Ceci en dépit du fait que la loi d’Ohm est toujours applicable.

Les diodes utilisées dans les rectennas à plus grande échelle sont incapables de fonctionner à des fréquences THz sans subir une perte de puissance importante, ce qui est une autre difficulté qui se pose lors de la réduction de l’échelle.

La grande efficacité potentielle des rectennas optiques est souvent citée comme l’un des arguments de vente les plus convaincants des appareils.

Par rapport à l’efficacité des cellules solaires à jonction unique d’un point de vue théorique (30%), il semblerait que les rectennas optiques aient un avantage majeur dans cette situation.

Toutefois, ces deux gains en efficience sont déterminés en fonction de diverses présomptions.

Les calculs pour le rectenna sont basés sur l’utilisation de l’efficacité de Carnot des capteurs solaires, ce qui conduit à faire un certain nombre d’hypothèses.

L’efficacité du cycle de Carnot, η, est donnée par

{\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{\text{cold}}}{T_{\text{hot}}}}}

où T froid est la température du corps le plusfroid et T chaud est la température du corps pluschaud .

L’énergie doit être convertie de manière à la fois efficace et efficiente, Il est nécessaire qu’il y ait une grande disparité de température entre les deux corps.

R.

L.

Bailey affirme que les rectennas ne sont pas limités par l’efficacité de Carnot, le photovoltaïque, d’autre part, le sont.

Toutefois, cette affirmation n’est étayée par aucun élément de preuve qu’il fournit.

En outre, lorsque les mêmes hypothèses qui ont été utilisées pour calculer l’efficacité théorique de 85% pour les rectennas sont appliquées aux cellules solaires à jonction unique, les résultats sont significativement différents, L’efficacité des cellules solaires à jonction unique est également meilleure que 85% d’un point de vue théorique.

Le fait que des réseaux de rectennas optiques puissent être construits pour absorber n’importe quelle fréquence de lumière est peut-être l’avantage le plus évident que les rectennas optiques offrent par rapport au photovoltaïque à semi-conducteurs. En ajustant la longueur d’une antenne optique, on est capable d’accorder la fréquence de résonance de l’appareil. C’est un avantage par rapport au photovoltaïque à semi-conducteurs, qui ont besoin de bandes interdites distinctes pour absorber la lumière de différentes longueurs d’onde, et cet avantage permet une absorption plus efficace de la lumière. Soit le semi-conducteur doit être allié, soit un tout autre matériau semi-conducteur doit être utilisé afin d’obtenir la plage de bande interdite souhaitée.

Comme mentionné précédemment, l’un des inconvénients les plus importants des rectennas optiques est la fréquence relativement faible à laquelle ils peuvent fonctionner. L’utilisation pratique des diodes Schottky ordinaires est rendue impossible en raison de la fréquence élevée de la lumière qui se produit dans la gamme appropriée de