ऑप्टिकल रेक्टेना: Difference between revisions

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[[Image:Radiation Spectrum.png|right|350px|thumb| चित्र 1. सौर स्पेक्ट्रम में तरंग दैर्ध्य का वर्णक्रमीय विकिरण। लाल छायांकित क्षेत्र समुद्र तल पर विकिरण को दर्शाता है। वायुमंडल द्वारा प्रकाश के अवशोषण के कारण समुद्र तल पर कम विकिरण होता है।]]'''ऑप्टिकल [[रेक्टेना]]''' एक रेक्टेंना (एंटीना को सुधारने वाला) है जो दृश्य या अवरक्त प्रकाश के साथ काम करता है।<ref>{{cite book|title=रेक्टेना सोलर सेल|year=2013 |editor=Garret Moddel |editor2=Sachit Grover |isbn=978-1-4614-3716-1 |url=https://www.springer.com/us/book/9781461437154|last1=Moddel |first1=Garret |last2=Grover |first2=Sachit }}</ref> रेक्टेना एक परिपथ होता है जिसमें [[एंटीना (रेडियो)]] और [[डायोड]] होता है, जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों को प्रत्यक्ष वर्तमान [[बिजली|विद्युत]] में बदल देता है। जबकि रेक्टेंना लंबे समय से [[रेडियो तरंग|रेडियो तरंगों]] या [[माइक्रोवेव]] के लिए उपयोग किया जाता है, ऑप्टिकल रेक्टेंना उसी तरह काम करेगा किन्तु अवरक्त विकिरण या दृश्य प्रकाश के साथ, इसे विद्युत में बदल देगा।
[[Image:Radiation Spectrum.png|right|350px|thumb| चित्र 1. सौर स्पेक्ट्रम में तरंग दैर्ध्य का वर्णक्रमीय विकिरण। लाल छायांकित क्षेत्र समुद्र तल पर विकिरण को दर्शाता है। वायुमंडल द्वारा प्रकाश के अवशोषण के कारण समुद्र तल पर कम विकिरण होता है।]]एक ऑप्टिकल [[रेक्टेना]] एक रेक्टेंना (एंटीना को सुधारने वाला) है जो दृश्य या अवरक्त प्रकाश के साथ काम करता है।<ref>{{cite book|title=रेक्टेना सोलर सेल|year=2013 |editor=Garret Moddel |editor2=Sachit Grover |isbn=978-1-4614-3716-1 |url=https://www.springer.com/us/book/9781461437154|last1=Moddel |first1=Garret |last2=Grover |first2=Sachit }}</ref> एक रेक्टेना एक सर्किट है जिसमें [[एंटीना (रेडियो)]] और [[डायोड]] होता है, जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों को प्रत्यक्ष वर्तमान [[बिजली]] में बदल देता है। जबकि रेक्टेंना लंबे समय से [[रेडियो तरंग]]ों या [[माइक्रोवेव]] के लिए उपयोग किया जाता है, एक ऑप्टिकल रेक्टेंना उसी तरह काम करेगा लेकिन इन्फ्रारेड या दृश्य प्रकाश के साथ, इसे बिजली में बदल देगा।


जबकि पारंपरिक (रेडियो- और माइक्रोवेव) रेक्टेंना मौलिक रूप से ऑप्टिकल रेक्टेंना के समान हैं, यह ऑप्टिकल रेक्टेंना बनाने के लिए व्यवहार में बहुत अधिक चुनौतीपूर्ण है। एक चुनौती यह है कि प्रकाश में इतनी उच्च आवृत्ति होती है - दृश्य प्रकाश के लिए सैकड़ों [[ हेटर्स ]]़ - कि केवल कुछ प्रकार के विशेष डायोड ही इसे सही करने के लिए पर्याप्त रूप से स्विच कर सकते हैं। एक और चुनौती यह है कि एंटेना एक तरंग दैर्ध्य के समान आकार के होते हैं, इसलिए एक बहुत छोटे ऑप्टिकल एंटीना के लिए एक चुनौतीपूर्ण [[नैनो]] तकनीक निर्माण प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। एक तीसरी चुनौती यह है कि, बहुत छोटा होने के कारण, एक ऑप्टिकल एंटीना आमतौर पर बहुत कम शक्ति को अवशोषित करता है, और इसलिए डायोड में एक छोटे से वोल्टेज का उत्पादन करता है, जिससे कम डायोड अरैखिकता और इसलिए कम दक्षता होती है। इन और अन्य चुनौतियों के कारण, ऑप्टिकल रेक्टेंना को अब तक प्रयोगशाला प्रदर्शनों तक ही सीमित रखा गया है, आमतौर पर तीव्र केंद्रित लेजर प्रकाश के साथ एक छोटी लेकिन औसत दर्जे की शक्ति का उत्पादन होता है।
जबकि पारंपरिक (रेडियो- और माइक्रोवेव) रेक्टेंना मौलिक रूप से ऑप्टिकल रेक्टेंना के समान हैं, यह ऑप्टिकल रेक्टेंना बनाने के लिए व्यवहार में बहुत अधिक चुनौतीपूर्ण है। एक चुनौती यह है कि दृश्य प्रकाश के लिए प्रकाश में इतनी उच्च आवृत्ति सैकड़ों [[ हेटर्स |टेराहर्ट्ज़]] होती है कि केवल कुछ प्रकार के विशेष डायोड ही इसे ठीक करने के लिए पर्याप्त रूप से स्विच कर सकते हैं। एक और चुनौती यह है कि एंटेना तरंग दैर्ध्य के समान आकार के होते हैं, इसलिए बहुत छोटे ऑप्टिकल एंटीना के लिए चुनौतीपूर्ण [[नैनो]] विधि निर्माण प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। तीसरी चुनौती यह है कि, बहुत छोटा होने के कारण, ऑप्टिकल एंटीना सामान्यतः बहुत कम शक्ति को अवशोषित करता है, और इसलिए डायोड में छोटे से वोल्टेज का उत्पादन करता है, जिससे कम डायोड अरैखिकता और इसलिए कम दक्षता होती है। इन और अन्य चुनौतियों के कारण, ऑप्टिकल रेक्टेंना को अब तक प्रयोगशाला प्रदर्शनों तक ही सीमित रखा गया है, सामान्यतः तीव्र केंद्रित लेजर प्रकाश के साथ छोटी किन्तु औसत दर्जे की शक्ति का उत्पादन होता है।


फिर भी, यह आशा की जाती है कि ऑप्टिकल रेक्टेना की सरणियाँ अंततः सूर्य के प्रकाश को विद्युत शक्ति में परिवर्तित करने का एक कुशल साधन हो सकती हैं, जो पारंपरिक सौर कोशिकाओं की तुलना में अधिक कुशलता से [[सौर ऊर्जा]] का उत्पादन करती हैं। यह विचार पहली बार 1972 में रॉबर्ट एल बेली द्वारा प्रस्तावित किया गया था।<ref name="Corkish">{{Cite journal | last = Corkish | first = R | author2 = M.A Green | author3 = T Puzzer | journal = Solar Energy | volume = 73 | issue = 6 | pages = 395–401 | title = एंटेना द्वारा सौर ऊर्जा संग्रह| doi = 10.1016/S0038-092X(03)00033-1 | issn = 0038-092X | date = December 2002 | bibcode=2002SoEn...73..395C| hdl = 1959.4/40066 | url = https://unsworks.unsw.edu.au/fapi/datastream/unsworks:4707/SOURCE01?view=true | hdl-access = free }}</ref> 2012 तक, केवल कुछ ऑप्टिकल रेक्टेंना उपकरणों का निर्माण किया गया है, जो दर्शाता है कि केवल ऊर्जा रूपांतरण संभव है।<ref>http://www.mat.ucsb.edu/~g.legrady/academic/courses/13f254/lexicon.html</ref> यह अज्ञात है कि क्या वे परंपरागत [[फोटोवोल्टिक कोशिकाओं]] के रूप में लागत प्रभावी या कुशल होंगे।
फिर भी, यह आशा की जाती है कि ऑप्टिकल रेक्टेना की सरणियाँ अंततः सूर्य के प्रकाश को विद्युत शक्ति में परिवर्तित करने का कुशल साधन हो सकती हैं, जो पारंपरिक सौर सेलों की तुलना में अधिक कुशलता से [[सौर ऊर्जा]] का उत्पादन करती हैं। यह विचार पहली बार 1972 में रॉबर्ट एल बेली द्वारा प्रस्तावित किया गया था।<ref name="Corkish">{{Cite journal | last = Corkish | first = R | author2 = M.A Green | author3 = T Puzzer | journal = Solar Energy | volume = 73 | issue = 6 | pages = 395–401 | title = एंटेना द्वारा सौर ऊर्जा संग्रह| doi = 10.1016/S0038-092X(03)00033-1 | issn = 0038-092X | date = December 2002 | bibcode=2002SoEn...73..395C| hdl = 1959.4/40066 | url = https://unsworks.unsw.edu.au/fapi/datastream/unsworks:4707/SOURCE01?view=true | hdl-access = free }}</ref> 2012 तक, केवल कुछ ऑप्टिकल रेक्टेंना उपकरणों का निर्माण किया गया है, जो दर्शाता है कि केवल ऊर्जा रूपांतरण संभव है।<ref>http://www.mat.ucsb.edu/~g.legrady/academic/courses/13f254/lexicon.html</ref> यह अज्ञात है कि क्या वे परंपरागत [[फोटोवोल्टिक कोशिकाओं|फोटोवोल्टिक सेल]] के रूप में निवेश प्रभावी या कुशल होंगे।


नैनटेना (नैनो-एंटीना) शब्द का प्रयोग कभी-कभी या तो ऑप्टिकल रेक्टेना या ऑप्टिकल एंटीना को संदर्भित करने के लिए किया जाता है। <ref>{{cite journal |last1=Awad |first1=Ehab |title=ब्रॉडबैंड ध्रुवीकरण-असंवेदनशील और उन्नत इन्फ्रारेड पहचान के लिए नैनो-प्लास्मोनिक बंड ऑप्टेना|journal=Scientific Reports |date=21 August 2019 |volume=9 |issue=1 |page=12197 |doi=10.1038/s41598-019-48648-6 |pmid=31434970 |pmc=6704059 |bibcode=2019NatSR...912197A |ref=4 |language=en |issn=2045-2322}}</ref> 2008 में यह बताया गया था कि इडाहो नेशनल लेबोरेटरीज ने 3-15 माइक्रोन की सीमा में तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करने के लिए एक ऑप्टिकल एंटीना तैयार किया था।<ref name ="Novack">{{Cite conference
'''नैनटेना''' (नैनो-एंटीना) शब्द का प्रयोग कभी-कभी या तो ऑप्टिकल रेक्टेना या ऑप्टिकल एंटीना को संदर्भित करने के लिए किया जाता है।<ref>{{cite journal |last1=Awad |first1=Ehab |title=ब्रॉडबैंड ध्रुवीकरण-असंवेदनशील और उन्नत इन्फ्रारेड पहचान के लिए नैनो-प्लास्मोनिक बंड ऑप्टेना|journal=Scientific Reports |date=21 August 2019 |volume=9 |issue=1 |page=12197 |doi=10.1038/s41598-019-48648-6 |pmid=31434970 |pmc=6704059 |bibcode=2019NatSR...912197A |ref=4 |language=en |issn=2045-2322}}</ref> 2008 में यह बताया गया था कि इडाहो राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं ने 3-15 माइक्रोन की सीमा में तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करने के लिए ऑप्टिकल एंटीना तैयार किया था।<ref name ="Novack">{{Cite conference
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|title=Solar Nantenna Electromagnetic Collectors
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}}</ref> ये तरंग दैर्ध्य की फोटॉन ऊर्जा के अनुरूप हैं {{nowrap|0.4 [[Electronvolt|eV]]}} नीचे {{nowrap|0.08 eV}}. एंटीना सिद्धांत के आधार पर, एक ऑप्टिकल एंटीना प्रकाश की किसी भी तरंग दैर्ध्य को कुशलतापूर्वक अवशोषित कर सकता है, बशर्ते कि एंटीना का आकार उस विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के लिए अनुकूलित हो। आदर्श रूप से, एंटेना का उपयोग तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश को अवशोषित करने के लिए किया जाएगा {{nowrap|0.4 and 1.6 μm}} क्योंकि इन तरंग दैर्ध्य में दूर-अवरक्त (लंबी तरंग दैर्ध्य) की तुलना में उच्च ऊर्जा होती है और सौर विकिरण स्पेक्ट्रम का लगभग 85% हिस्सा बनाती है<ref name="Berland">Berland, B. "Photovoltaic Technologies Beyond the Horizon: Optical Rectenna Solar Cell." National Renewable Energy Laboratory. National Renewable Energy Laboratory. 13 Apr. 2009 <http://www.nrel.gov/docs/fy03osti/33263.pdf>.</ref> (चित्र 1 देखें)।
}}</ref> ये तरंग दैर्ध्य {{nowrap|0.4 [[Electronvolt|eV]]}} से {{nowrap|0.08 eV}} तक की फोटॉन ऊर्जा के अनुरूप हैं. एंटीना सिद्धांत के आधार पर, ऑप्टिकल एंटीना प्रकाश की किसी भी तरंग दैर्ध्य को कुशलतापूर्वक अवशोषित कर सकता है, परन्तु एंटीना का आकार उस विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के लिए अनुकूलित होना चाहिये। आदर्श रूप से, एंटेना का उपयोग {{nowrap|0.4 और 1.6 μm}} के बीच तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश को अवशोषित करने के लिए किया जाएगा क्योंकि इन तरंग दैर्ध्य में दूर-अवरक्त (लंबी तरंग दैर्ध्य) की तुलना में उच्च ऊर्जा होती है और सौर विकिरण स्पेक्ट्रम (चित्र 1 देखें) का लगभग 85% भाग बनाती है।<ref name="Berland">Berland, B. "Photovoltaic Technologies Beyond the Horizon: Optical Rectenna Solar Cell." National Renewable Energy Laboratory. National Renewable Energy Laboratory. 13 Apr. 2009 <http://www.nrel.gov/docs/fy03osti/33263.pdf>.</ref>  


== इतिहास ==
== इतिहास ==
जेम्स सी. फ्लेचर के साथ रॉबर्ट बेली ने एक पेटेंट प्राप्त किया ({{patent|US|3760257}}) 1973 में एक विद्युत चुम्बकीय तरंग ऊर्जा परिवर्तक के लिए। पेटेंट डिवाइस आधुनिक ऑप्टिकल रेक्टेंना के समान था। पेटेंट IEEE स्पेक्ट्रम, अक्टूबर, 1971 में [<nowiki/>[[अली जवन]]] द्वारा वर्णित डायोड प्रकार के उपयोग पर चर्चा करता है, [http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5217817 पृष्ठ 91], सफेद करने के लिए, एक पतली ऑक्साइड परत से ढकी धातु की सतह पर 100 एनएम-व्यास वाली धातु बिल्ली की मूंछ। जावन को 58 THz इन्फ्रारेड लाइट में सुधार करने की सूचना मिली थी। 1974 में, टी. गुस्ताफसन और उनके साथियों ने प्रदर्शित किया कि इस प्रकार के उपकरण दृश्यमान प्रकाश को डीसी धारा तक भी ठीक कर सकते हैं<ref name = "Heiblum">{{Cite journal | last = Heiblum | first = M. | author2 = Shihyuan Wang | author3 = Whinnery, John R. | author4 = Gustafson, T. | journal = IEEE Journal of Quantum Electronics | volume = 14 | issue = 3 | pages = 159–169 | title = डीसी और ऑप्टिकल आवृत्तियों पर एकीकृत एमओएम जंक्शनों के लक्षण|doi = 10.1109/JQE.1978.1069765 | issn = 0018-9197 | date = March 1978 | bibcode = 1978IJQE...14..159H | s2cid = 21688285 }}</ref> एल्विन एम. मार्क्स को 1984 में एक उपकरण के लिए एक पेटेंट प्राप्त हुआ, जिसमें स्पष्ट रूप से उप-माइक्रोन एंटेना के उपयोग को प्रकाश शक्ति के विद्युत शक्ति में सीधे रूपांतरण के लिए बताया गया था।<ref name="patent2">{{cite web|url=http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=/netahtml/PTO/srchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=4445050.PN.&OS=PN/4445050&RS=PN/4445050|title=United States Patent: 4445050 - Device for conversion of light power to electric power|website=uspto.gov}}</ref> मार्क्स के उपकरण ने बेली के उपकरण की तुलना में दक्षता में पर्याप्त सुधार दिखाया।<ref name = "Lin">{{Cite journal | last = Lin | first = Guang H. | author2 = Reyimjan Abdu | author3 = John O'M. Bockris | journal = Journal of Applied Physics | volume = 80 | issue = 1 | pages = 565–568 | title = अनुनाद प्रकाश अवशोषण की जांच और उपनोस्ट्रक्चर द्वारा सुधार| doi = 10.1063/1.362762 | issn = 0021-8979 | date = 1996-07-01 | url = http://jap.aip.org/resource/1/japiau/v80/i1/p565_s1 | archive-url = https://archive.today/20130223095548/http://jap.aip.org/resource/1/japiau/v80/i1/p565_s1 | url-status = dead | archive-date = 2013-02-23 | bibcode = 1996JAP....80..565L }}</ref>
रॉबर्ट बेली, जेम्स सी. फ्लेचर के साथ 1973 में "विद्युत चुम्बकीय तरंग ऊर्जा परिवर्तक" के लिए एक पेटेंट ({{patent|US|3760257}}) प्राप्त किया। पेटेंट उपकरण आधुनिक ऑप्टिकल रेक्टेंना के समान था। पेटेंट एक पतली ऑक्साइड परत से ढकी धातु की सतह पर 100 एनएम-व्यास वाली धातु बिल्ली की मूंछ को सफेद करने के लिए आईईईई स्पेक्ट्रम, अक्टूबर 1971 [http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5217817 पृष्ठ 91] में "[<nowiki/>[[अली जवन]]] द्वारा वर्णित प्रकार" डायोड के उपयोग पर चर्चा करता है। जावन को 58 THz अवरक्त विकिरण लाइट में सुधार करने की सूचना मिली थी। 1974 में, टी. गुस्ताफसन और उनके साथियों ने प्रदर्शित किया कि इस प्रकार के उपकरण दृश्यमान प्रकाश को डीसी धारा तक भी ठीक कर सकते हैं<ref name = "Heiblum">{{Cite journal | last = Heiblum | first = M. | author2 = Shihyuan Wang | author3 = Whinnery, John R. | author4 = Gustafson, T. | journal = IEEE Journal of Quantum Electronics | volume = 14 | issue = 3 | pages = 159–169 | title = डीसी और ऑप्टिकल आवृत्तियों पर एकीकृत एमओएम जंक्शनों के लक्षण|doi = 10.1109/JQE.1978.1069765 | issn = 0018-9197 | date = March 1978 | bibcode = 1978IJQE...14..159H | s2cid = 21688285 }}</ref> एल्विन एम. मार्क्स को 1984 में उपकरण के लिए पेटेंट प्राप्त हुआ, जिसमें स्पष्ट रूप से उप-माइक्रोन एंटेना के उपयोग को प्रकाश शक्ति के विद्युत शक्ति में सीधे रूपांतरण के लिए बताया गया था।<ref name="patent2">{{cite web|url=http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=/netahtml/PTO/srchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=4445050.PN.&OS=PN/4445050&RS=PN/4445050|title=United States Patent: 4445050 - Device for conversion of light power to electric power|website=uspto.gov}}</ref> मार्क्स के उपकरण ने बेली के उपकरण की तुलना में दक्षता में पर्याप्त सुधार दिखाया।<ref name = "Lin">{{Cite journal | last = Lin | first = Guang H. | author2 = Reyimjan Abdu | author3 = John O'M. Bockris | journal = Journal of Applied Physics | volume = 80 | issue = 1 | pages = 565–568 | title = अनुनाद प्रकाश अवशोषण की जांच और उपनोस्ट्रक्चर द्वारा सुधार| doi = 10.1063/1.362762 | issn = 0021-8979 | date = 1996-07-01 | url = http://jap.aip.org/resource/1/japiau/v80/i1/p565_s1 | archive-url = https://archive.today/20130223095548/http://jap.aip.org/resource/1/japiau/v80/i1/p565_s1 | url-status = dead | archive-date = 2013-02-23 | bibcode = 1996JAP....80..565L }}</ref>
1996 में, गुआंग एच. लिन ने गढ़े हुए नैनोसंरचना द्वारा गुंजयमान प्रकाश अवशोषण और दृश्यमान सीमा में आवृत्तियों के साथ प्रकाश के सुधार की सूचना दी।<ref name = "Lin"/>2002 में, ITN Energy Systems, Inc. ने उच्च आवृत्ति वाले डायोड के साथ युग्मित ऑप्टिकल एंटेना पर अपने काम पर एक रिपोर्ट प्रकाशित की। ITN ने सिंगल डिजिट एफिशिएंसी के साथ ऑप्टिकल रेक्टेना एरे बनाने की तैयारी की है। हालांकि वे असफल रहे, उच्च दक्षता वाले ऑप्टिकल रेक्टेना के निर्माण से जुड़े मुद्दों को बेहतर ढंग से समझा गया।<ref name="Berland"/>


2015 में, [[जॉर्जिया तकनीकी संस्थान]] में बाराटुंडे ए. कोला की शोध टीम ने एक सौर ऊर्जा संग्राहक विकसित किया जो कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग करके ऑप्टिकल प्रकाश को डीसी करंट में परिवर्तित कर सकता है।<ref name=":0">{{Cite journal|title = एक कार्बन नैनोट्यूब ऑप्टिकल रेक्टेना|url = https://zenodo.org/record/851685|journal = Nature Nanotechnology|doi = 10.1038/nnano.2015.220|pmid = 26414198|first1 = Asha|last1 = Sharma|first2 = Virendra|last2 = Singh|first3 = Thomas L.|last3 = Bougher|first4 = Baratunde A.|last4 = Cola|volume=10|issue = 12|pages=1027–1032|bibcode = 2015NatNa..10.1027S|year = 2015}}</ref> धातु-लेपित सबस्ट्रेट्स पर उगाए गए मल्टीवॉल [[कार्बन नैनोट्यूब]] (MWCNTs) के वर्टिकल एरेज़ को इन्सुलेट एल्यूमीनियम ऑक्साइड के साथ लेपित किया गया था और पूरी तरह से एक धातु इलेक्ट्रोड परत के साथ छाया हुआ था। नैनोट्यूब के छोटे आयाम एंटीना के रूप में कार्य करते हैं, जो ऑप्टिकल तरंग दैर्ध्य को पकड़ने में सक्षम होते हैं। MWCNT [[धातु-इन्सुलेटर-धातु]] (MIM) [[टनलिंग डायोड]] की एक परत के रूप में भी दोगुना हो जाता है। MWCNT युक्तियों के छोटे व्यास के कारण, यह संयोजन एक डायोड बनाता है जो उच्च आवृत्ति वाले ऑप्टिकल विकिरण को ठीक करने में सक्षम है। इस डिवाइस की कुल रूपांतरण दक्षता लगभग 10 है<sup>−5</सुप> %.<ref name=":0" />बहरहाल, ऑप्टिकल रेक्टेना अनुसंधान जारी है।
1996 में, गुआंग एच. लिन ने गढ़े हुए नैनोसंरचना द्वारा गुंजयमान प्रकाश अवशोषण और दृश्यमान सीमा में आवृत्तियों के साथ प्रकाश के सुधार की सूचना दिया था।<ref name="Lin" /> 2002 में, आईटीएन एनर्जी सिस्टम्स इंक. ने उच्च आवृत्ति वाले डायोड के साथ युग्मित ऑप्टिकल एंटेना पर अपने काम पर सूची प्रकाशित किया था। आईटीएन ने सिंगल डिजिट एफिशिएंसी के साथ ऑप्टिकल रेक्टेना एरे बनाने की तैयारी की है। चूंकि वे असफल रहे थे किन्तु एक उच्च दक्षता वाले ऑप्टिकल रेक्टेना के निर्माण से जुड़े उद्देश्यों को उत्तम प्रणाली से समझा गया था।<ref name="Berland" />


इन कार्बन नैनोट्यूब रेक्टेना उपकरणों का प्राथमिक दोष वायु स्थिरता की कमी है। मूल रूप से कोला द्वारा रिपोर्ट की गई डिवाइस संरचना में कैल्शियम का उपयोग अर्ध-पारदर्शी शीर्ष इलेक्ट्रोड के रूप में किया गया था क्योंकि MWCNTs (~ 5 eV) के सापेक्ष कैल्शियम (2.9 eV) का कम कार्य कार्य ऑप्टिकल सुधार के लिए आवश्यक डायोड विषमता बनाता है। हालांकि, धात्विक कैल्शियम हवा में अत्यधिक अस्थिर होता है और तेजी से ऑक्सीकरण करता है। डिवाइस को खराब होने से बचाने के लिए एक निष्क्रिय वातावरण के तहत एक ग्लवबॉक्स के भीतर मापन किया जाना था। उपकरणों का यह सीमित व्यावहारिक अनुप्रयोग।
2015 में, [[जॉर्जिया तकनीकी संस्थान|जॉर्जिया विधिी संस्थान]] में बाराटुंडे ए. कोला की शोध टीम ने सौर ऊर्जा संग्राहक विकसित किया जो कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग करके ऑप्टिकल प्रकाश को डीसी धारा में परिवर्तित कर सकता है।<ref name=":0">{{Cite journal|title = एक कार्बन नैनोट्यूब ऑप्टिकल रेक्टेना|url = https://zenodo.org/record/851685|journal = Nature Nanotechnology|doi = 10.1038/nnano.2015.220|pmid = 26414198|first1 = Asha|last1 = Sharma|first2 = Virendra|last2 = Singh|first3 = Thomas L.|last3 = Bougher|first4 = Baratunde A.|last4 = Cola|volume=10|issue = 12|pages=1027–1032|bibcode = 2015NatNa..10.1027S|year = 2015}}</ref> धातु-लेपित सबस्ट्रेट्स पर उगाए गए मल्टीवॉल [[कार्बन नैनोट्यूब]] (एमडब्ल्यूसीएनटी) के वर्टिकल एरेज़ को इन्सुलेट एल्यूमीनियम ऑक्साइड के साथ लेपित किया गया था और पूरी तरह से धातु इलेक्ट्रोड परत के साथ छाया हुआ था। नैनोट्यूब के छोटे आयाम एंटीना के रूप में कार्य करते हैं, जो ऑप्टिकल तरंग दैर्ध्य को पकड़ने में सक्षम होते हैं। एमडब्ल्यूसीएनटी [[धातु-इन्सुलेटर-धातु]] (एमआईएम) [[टनलिंग डायोड]] की परत के रूप में भी दोगुना हो जाता है। एमडब्ल्यूसीएनटी युक्तियों के छोटे व्यास के कारण, यह संयोजन डायोड बनाता है जो उच्च आवृत्ति वाले ऑप्टिकल विकिरण को ठीक करने में सक्षम है। इस उपकरण की कुल रूपांतरण दक्षता लगभग 10−5% है।<sup><ref name=":0" /> फिर भी, ऑप्टिकल रेक्टेना अनुसंधान जारी है।


कोला और उनकी टीम ने बाद में ऑक्साइड की कई परतों के साथ डायोड संरचना को संशोधित करके डिवाइस अस्थिरता के साथ चुनौतियों का समाधान किया। 2018 में उन्होंने दक्षता में सुधार के साथ-साथ पहले एयर-स्टेबल ऑप्टिकल रेक्टेना की सूचना दी।
इन कार्बन नैनोट्यूब रेक्टेना उपकरणों का प्राथमिक दोष वायु स्थिरता की कमी है। मूल रूप से कोला द्वारा सूची की गई उपकरण संरचना में कैल्शियम का उपयोग अर्ध-पारदर्शी शीर्ष इलेक्ट्रोड के रूप में किया गया था क्योंकि एमडब्ल्यूसीएनटी (~ 5 eV) के सापेक्ष कैल्शियम (2.9 eV) का कम कार्य कार्य ऑप्टिकल सुधार के लिए आवश्यक डायोड विषमता बनाता है। चूंकि, धात्विक कैल्शियम हवा में अत्यधिक अस्थिर होता है और तेजी से ऑक्सीकरण करता है। उपकरण को खराब होने से बचाने के लिए निष्क्रिय वातावरण के अनुसार ग्लवबॉक्स के अंदर मापन किया जाना था। उपकरणों का यह सीमित व्यावहारिक अनुप्रयोग है।


इस नई पीढ़ी के रेक्टेना की हवा-स्थिरता को डायोड के क्वांटम टनलिंग बैरियर की सिलाई करके हासिल किया गया था। एक एकल ढांकता हुआ इन्सुलेटर के बजाय, उन्होंने दिखाया कि कई अलग-अलग ऑक्साइड परतों का उपयोग डायोड टनलिंग बैरियर को संशोधित करके डायोड के प्रदर्शन को बढ़ाता है। विभिन्न इलेक्ट्रॉन समानता वाले आक्साइड का उपयोग करके, दो इलेक्ट्रोड के कार्य समारोह की परवाह किए बिना एक असममित डायोड प्रतिक्रिया उत्पन्न करने के लिए इलेक्ट्रॉन टनलिंग को इंजीनियर किया जा सकता है। एल्युमिना की परतों का उपयोग करके | अल<sub>2</sub>O<sub>3</sub>और हेफ़नियम (चतुर्थ) ऑक्साइड|HfO<sub>2</sub>, एक डबल-इन्सुलेटर डायोड ([[धातु-इन्सुलेटर-इन्सुलेटर-धातु]] (MIIM)) का निर्माण किया गया था, जिसने कम कार्य फ़ंक्शन कैल्शियम की आवश्यकता के बिना डायोड की असममित प्रतिक्रिया को 10 गुना से अधिक सुधार दिया, और शीर्ष धातु को बाद में हवा से बदल दिया गया- स्थिर चांदी।
इस नई पीढ़ी के रेक्टेना की हवा-स्थिरता को डायोड के क्वांटम टनलिंग बैरियर की सिलाई करके प्राप्त किया गया था। एकल ढांकता हुआ इन्सुलेटर के अतिरिक्त, उन्होंने दिखाया कि कई अलग-अलग ऑक्साइड परतों का उपयोग डायोड टनलिंग बैरियर को संशोधित करके डायोड के प्रदर्शन को बढ़ाता है। विभिन्न इलेक्ट्रॉन समानता वाले आक्साइड का उपयोग करके, दो इलेक्ट्रोड के कार्य फंक्शन की परवाह किए बिना असममित डायोड प्रतिक्रिया उत्पन्न करने के लिए इलेक्ट्रॉन टनलिंग को इंजीनियर किया जा सकता है। Al2O3 और HfO2 की परतों का उपयोग करके, एक डबल-इन्सुलेटर डायोड ([[धातु-इन्सुलेटर-इन्सुलेटर-धातु]] (एमआईआईएम)) का निर्माण किया गया था, जिसने डायोड की असममित प्रतिक्रिया को कम कार्य फ़ंक्शन कैल्शियम और शीर्ष धातु की आवश्यकता के बिना 10 गुना से अधिक सुधार दिया। बाद में इसे हवा-स्थिर चांदी से बदल दिया गया ।


भविष्य के प्रयासों को वैकल्पिक सामग्री की जांच करके, इंटरफ़ेस पर चालन को प्रोत्साहित करने के लिए MWCNTs और इन्सुलेट परतों में हेरफेर करके और संरचना के भीतर प्रतिरोध को कम करके डिवाइस दक्षता में सुधार करने पर ध्यान केंद्रित किया जाएगा।
भविष्य के प्रयासों को वैकल्पिक सामग्री की जांच करके, इंटरफ़ेस पर चालन को प्रोत्साहित करने के लिए एमडब्ल्यूसीएनटी और इन्सुलेट परतों में हेरफेर करके और संरचना के अंदर प्रतिरोध को कम करके उपकरण दक्षता में सुधार करने पर ध्यान केंद्रित किया जाएगा।


== सिद्धांत ==
== सिद्धांत ==


ऑप्टिकल रेक्टेंना के पीछे का सिद्धांत अनिवार्य रूप से पारंपरिक (रेडियो या माइक्रोवेव) रेक्टेंना के समान है। ऐन्टेना पर आपतित प्रकाश ऐन्टेना में इलेक्ट्रॉनों को आने वाली रोशनी के समान आवृत्ति पर आगे और पीछे जाने का कारण बनता है। यह आने वाली विद्युत चुम्बकीय तरंग के दोलनशील विद्युत क्षेत्र के कारण होता है। ऐन्टेना सर्किट में इलेक्ट्रॉनों की गति एक [[प्रत्यावर्ती धारा]] (AC) है। इसे दिष्टधारा (DC) में बदलने के लिए, प्रत्यावर्ती धारा को ठीक किया जाना चाहिए, जो आमतौर पर डायोड के साथ किया जाता है। परिणामी डीसी करंट का उपयोग बाहरी भार को शक्ति देने के लिए किया जा सकता है।
ऑप्टिकल रेक्टेंना के पीछे का सिद्धांत अनिवार्य रूप से पारंपरिक (रेडियो या माइक्रोवेव) रेक्टेंना के समान है। ऐन्टेना पर आपतित प्रकाश ऐन्टेना में इलेक्ट्रॉनों को आने वाली रोशनी के समान आवृत्ति पर आगे और पीछे जाने का कारण बनता है। यह आने वाली विद्युत चुम्बकीय तरंग के दोलनशील विद्युत क्षेत्र के कारण होता है। ऐन्टेना परिपथ में इलेक्ट्रॉनों की गति [[प्रत्यावर्ती धारा]] (एसी) है। इसे दिष्टधारा (डीसी) में बदलने के लिए, प्रत्यावर्ती धारा को ठीक किया जाना चाहिए, जो सामान्यतः डायोड के साथ किया जाता है। परिणामी डीसी धारा का उपयोग बाहरी भार को शक्ति देने के लिए किया जा सकता है।
एंटेना की गुंजयमान आवृत्ति (आवृत्ति जिसके परिणामस्वरूप सबसे कम प्रतिबाधा होती है और इस प्रकार उच्चतम दक्षता) सरल माइक्रोवेव एंटीना सिद्धांत के अनुसार एंटीना के भौतिक आयामों के साथ रैखिक रूप से मापती है।<ref name="Berland"/>  सौर स्पेक्ट्रम में तरंग दैर्ध्य लगभग 0.3-2.0 माइक्रोन से होता है।<ref name="Berland"/>इस प्रकार, सौर स्पेक्ट्रम में एक कुशल विद्युत चुम्बकीय संग्राहक होने के लिए एक सुधारात्मक एंटीना के लिए, इसे आकार में सैकड़ों एनएम के क्रम में होना चाहिए।


[[Image:Skin Effect.png|right|250px|thumb| चित्र 3. उच्च आवृत्तियों पर त्वचा प्रभाव दिखाने वाली छवि। सतह पर अंधेरा क्षेत्र, इलेक्ट्रॉन प्रवाह को इंगित करता है जहां हल्का क्षेत्र (आंतरिक) इलेक्ट्रॉन प्रवाह को कम या बिल्कुल नहीं दर्शाता है।]]विशिष्ट सुधारात्मक ऐन्टेना सिद्धांत में उपयोग किए जाने वाले सरलीकरण के कारण, ऑप्टिकल रेक्टेंना पर चर्चा करते समय कई जटिलताएँ उत्पन्न होती हैं। इन्फ्रारेड से ऊपर की आवृत्तियों पर, लगभग सभी करंट को तार की सतह के पास ले जाया जाता है जो तार के प्रभावी क्रॉस सेक्शनल क्षेत्र को कम कर देता है, जिससे प्रतिरोध में वृद्धि होती है। इस प्रभाव को [[त्वचा प्रभाव]] के रूप में भी जाना जाता है। विशुद्ध रूप से उपकरण के दृष्टिकोण से, I-V विशेषताएँ अब ओमिक नहीं प्रतीत होंगी, भले ही ओम का नियम, अपने सामान्यीकृत वेक्टर रूप में, अभी भी मान्य है।
एंटेना की गुंजयमान आवृत्ति (आवृत्ति जिसके परिणामस्वरूप सबसे कम प्रतिबाधा होती है और इस प्रकार उच्चतम दक्षता) सरल माइक्रोवेव एंटीना सिद्धांत के अनुसार एंटीना के भौतिक आयामों के साथ रैखिक रूप से मापती है।<ref name="Berland" />  सौर स्पेक्ट्रम में तरंग दैर्ध्य लगभग 0.3-2.0 माइक्रोन से होता है।<ref name="Berland" /> इस प्रकार, सौर स्पेक्ट्रम में कुशल विद्युत चुम्बकीय संग्राहक होने के लिए सुधारात्मक एंटीना के लिए, इसे आकार में सैकड़ों एनएम के क्रम में होना चाहिए।
 
[[Image:Skin Effect.png|right|250px|thumb| चित्र 3. उच्च आवृत्तियों पर त्वचा प्रभाव दिखाने वाली छवि। सतह पर अंधेरा क्षेत्र, इलेक्ट्रॉन प्रवाह को निरुपित करता है जहां हल्का क्षेत्र (आंतरिक) इलेक्ट्रॉन प्रवाह को कम या बिल्कुल नहीं दर्शाता है।]]विशिष्ट सुधारात्मक ऐन्टेना सिद्धांत में उपयोग किए जाने वाले सरलीकरण के कारण, ऑप्टिकल रेक्टेंना पर चर्चा करते समय कई जटिलताएँ उत्पन्न होती हैं। अवरक्त विकिरण से ऊपर की आवृत्तियों पर, लगभग सभी धारा को तार की सतह के पास ले जाया जाता है जो तार के प्रभावी क्रॉस सेक्शनल क्षेत्र को कम कर देता है, जिससे प्रतिरोध में वृद्धि होती है। इस प्रभाव को [[त्वचा प्रभाव]] के रूप में भी जाना जाता है। विशुद्ध रूप से डिवाइस के नजरिए से I-V विशेषताएँ अब ओमिक नहीं होंगी, चाहे ओम का नियम अपने सामान्यीकृत वेक्टर रूप में अभी भी मान्य है।
 
स्केलिंग डाउन की और जटिलता यह है कि बड़े पैमाने पर रेक्टेंना में उपयोग किए जाने वाले डायोड विद्युत में बड़े हानि के बिना THz आवृत्तियों पर काम नहीं कर सकते।<ref name="Novack" /> पी-एन संयोजन डायोड और स्कॉटकी डायोड में पाए जाने वाले संयोजन धारिता (जिसे पराश्रयी धारिता भी कहा जाता है) का परिणाम है, जो केवल 5 THz से कम आवृत्तियों पर प्रभावी प्रणाली से काम कर सकता है।<ref name="Berland" />  0.4–1.6 μm की आदर्श तरंग दैर्ध्य लगभग 190–750 THz की आवृत्तियों के अनुरूप होती है, जो विशिष्ट डायोड की क्षमताओं से बहुत अधिक है। इसलिए, कुशल विद्युत रूपांतरण के लिए वैकल्पिक डायोड का उपयोग करने की आवश्यकता है। वर्तमान ऑप्टिकल रेक्टेना उपकरणों में, मेटल-इन्सुलेटर-मेटल (एमआईएम) [[ सुरंग डायोड | टनलिंग डायोड]] का उपयोग किया जाता है। शोट्की डायोड के विपरीत, एमआईएम डायोड [[परजीवी समाई|पराश्रयी धारिता]] से प्रभावित नहीं होते हैं क्योंकि वे [[क्वांटम टनलिंग]] के आधार पर काम करते हैं। इस कारण से, एमआईएम डायोड को लगभग {{nowrap|150 THz}} की आवृत्तियों पर प्रभावी प्रणाली से संचालित करने के लिए दिखाया गया है .<ref name="Berland" />


स्केलिंग डाउन की एक और जटिलता यह है कि बड़े पैमाने पर रेक्टेंना में उपयोग किए जाने वाले डायोड बिजली में बड़े नुकसान के बिना THz आवृत्तियों पर काम नहीं कर सकते।<ref name="Novack"/>पी-एन जंक्शन डायोड और स्कॉटकी डायोड में पाए जाने वाले जंक्शन कैपेसिटेंस (जिसे परजीवी कैपेसिटेंस भी कहा जाता है) का परिणाम है, जो केवल 5 THz से कम आवृत्तियों पर प्रभावी ढंग से काम कर सकता है।<ref name="Berland"/>  0.4–1.6 μm की आदर्श तरंग दैर्ध्य लगभग 190–750 THz की आवृत्तियों के अनुरूप होती है, जो विशिष्ट डायोड की क्षमताओं से बहुत अधिक है। इसलिए, कुशल बिजली रूपांतरण के लिए वैकल्पिक डायोड का उपयोग करने की आवश्यकता है। वर्तमान ऑप्टिकल रेक्टेना उपकरणों में, मेटल-इन्सुलेटर-मेटल (MIM) [[ सुरंग डायोड ]] का उपयोग किया जाता है। Schottky डायोड के विपरीत, MIM डायोड [[परजीवी समाई]] से प्रभावित नहीं होते हैं क्योंकि वे [[क्वांटम टनलिंग]] के आधार पर काम करते हैं। इस वजह से, एमआईएम डायोड को आसपास की आवृत्तियों पर प्रभावी ढंग से संचालित करने के लिए दिखाया गया है {{nowrap|150 THz}}.<ref name="Berland"/>




== लाभ ==
== लाभ ==
{{Original research|section|date=September 2011}}
ऑप्टिकल रेक्टेंना के सबसे बड़े प्रमाणित  किए गए लाभों में से उनकी उच्च सैद्धांतिक दक्षता है। एकल संयोजन सौर सेलों (30%) की सैद्धांतिक दक्षता की तुलना में, ऑप्टिकल रेक्टेंना का महत्वपूर्ण लाभ होता है। चूँकि, दो दक्षताओं की गणना अलग-अलग मान्यताओं का उपयोग करके की जाती है। रेक्टेंना गणना में सम्मिलित धारणाएँ सौर संग्राहकों की [[कार्नाट दक्षता]] के अनुप्रयोग पर आधारित हैं। कार्नोट दक्षता, η, द्वारा दी गई है
ऑप्टिकल रेक्टेंना के सबसे बड़े दावा किए गए लाभों में से एक उनकी उच्च सैद्धांतिक दक्षता है। एकल जंक्शन सौर कोशिकाओं (30%) की सैद्धांतिक दक्षता की तुलना में, ऑप्टिकल रेक्टेंना का एक महत्वपूर्ण लाभ होता है। हालाँकि, दो दक्षताओं की गणना अलग-अलग मान्यताओं का उपयोग करके की जाती है।
रेक्टेंना गणना में शामिल धारणाएँ सौर संग्राहकों की [[कार्नाट दक्षता]] के अनुप्रयोग पर आधारित हैं। कार्नोट दक्षता, η, द्वारा दी गई है


: <math> \eta = 1 - \frac{T_\text{cold}}{T_\text{hot}}</math>
: <math> \eta = 1 - \frac{T_\text{cold}}{T_\text{hot}}</math>
जहां टी<sub>cold</sub> कूलर शरीर का तापमान है और टी<sub>hot</sub> गर्म शरीर का तापमान है। एक कुशल ऊर्जा रूपांतरण होने के लिए, दो पिंडों के बीच तापमान का अंतर महत्वपूर्ण होना चाहिए। {{nowrap|R. L. Bailey}} का दावा है कि रेक्टेंना कार्नोट दक्षता द्वारा सीमित नहीं हैं, जबकि [[फोटोवोल्टिक]] हैं। हालाँकि, वह इस दावे के लिए कोई तर्क नहीं देता है। इसके अलावा, जब रेक्टेंना के लिए 85% सैद्धांतिक दक्षता प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली समान धारणाएं एकल जंक्शन सौर कोशिकाओं पर लागू होती हैं, तो एकल जंक्शन सौर कोशिकाओं की सैद्धांतिक दक्षता भी 85% से अधिक होती है।
जहां T<sub>cold</sub> कूलर शरीर का तापमान है और T<sub>hot</sub> गर्म शरीर का तापमान है। कुशल ऊर्जा रूपांतरण होने के लिए, दो पिंडों के बीच तापमान का अंतर महत्वपूर्ण होना चाहिए। {{nowrap|आर एल बेली}} का प्रमाणित  है कि रेक्टेंना कार्नोट दक्षता द्वारा सीमित नहीं हैं, जबकि [[फोटोवोल्टिक]] हैं। चूँकि, वह इस दावे के लिए कोई तर्क नहीं देता है। इसके अतिरिक्त, जब रेक्टेंना के लिए 85% सैद्धांतिक दक्षता प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली समान धारणाएं एकल संयोजन सौर सेलों पर प्रयुक्त होती हैं, तो एकल संयोजन सौर सेलों की सैद्धांतिक दक्षता भी 85% से अधिक होती है।
 
अर्धचालक फोटोवोल्टिक्स पर ऑप्टिकल रेक्टेंना का सबसे स्पष्ट लाभ यह है कि रेक्टेना सरणियों को प्रकाश की किसी भी आवृत्ति को अवशोषित करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है। ऑप्टिकल ऐन्टेना की गुंजयमान आवृत्ति को उसकी लंबाई को बदलकर चुना जा सकता है। यह अर्धचालक फोटोवोल्टिक्स पर लाभ है, क्योंकि प्रकाश के विभिन्न तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करने के लिए, विभिन्न बैंड अंतरालों की आवश्यकता होती है। बैंड गैप को बदलने के लिए, अर्धचालक को मिश्रित होना चाहिए या अलग अर्धचालक का पूरी तरह से उपयोग किया जाना चाहिए।<ref name ="Novack"/>
 


सेमीकंडक्टर फोटोवोल्टिक्स पर ऑप्टिकल रेक्टेंना का सबसे स्पष्ट लाभ यह है कि रेक्टेना सरणियों को प्रकाश की किसी भी आवृत्ति को अवशोषित करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है। एक ऑप्टिकल ऐन्टेना की गुंजयमान आवृत्ति को उसकी लंबाई को बदलकर चुना जा सकता है। यह सेमीकंडक्टर फोटोवोल्टिक्स पर एक फायदा है, क्योंकि प्रकाश के विभिन्न तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करने के लिए, विभिन्न बैंड अंतरालों की आवश्यकता होती है। बैंड गैप को बदलने के लिए, सेमीकंडक्टर को मिश्रित होना चाहिए या एक अलग सेमीकंडक्टर का पूरी तरह से उपयोग किया जाना चाहिए।<ref name ="Novack"/>
== सीमाएं और हानियाँ ==
जैसा कि पहले कहा गया है, ऑप्टिकल रेक्टेंना की प्रमुख सीमाओं में से वह आवृत्ति है जिस पर वे काम करते हैं। तरंग दैर्ध्य की आदर्श श्रेणी में प्रकाश की उच्च आवृत्ति विशिष्ट स्कॉटकी डायोड के उपयोग को अव्यावहारिक बनाती है। चूंकि एमआईएम डायोड ऑप्टिकल रेक्टेंना में उपयोग के लिए आशाजनक विशेषताएं दिखाते हैं, उच्च आवृत्तियों पर कुशलतापूर्वक संचालित करने के लिए अधिक प्रगति आवश्यक है।<ref name="ids.nic.in">{{Cite web |url=http://ids.nic.in/Tnl_Jces_May%202012/PDF1/pdf/6.Nanteena.pdf |title=संग्रहीत प्रति|access-date=2014-05-25 |archive-date=2014-05-25 |archive-url=https://web.archive.org/web/20140525195839/http://ids.nic.in/Tnl_Jces_May%202012/PDF1/pdf/6.Nanteena.pdf |url-status=dead }}</ref>


और हानि यह है कि इलेक्ट्रॉन बीम ([[ इलेक्ट्रॉन बीम प्रसंस्करण | इलेक्ट्रॉन बीम प्रसंस्करण]]) लिथोग्राफी का उपयोग करके वर्तमान ऑप्टिकल रेक्टेना का उत्पादन किया जाता है। यह प्रक्रिया धीमी और अपेक्षाकृत महंगी है क्योंकि ई-बीम लिथोग्राफी से समानांतर प्रसंस्करण संभव नहीं है। सामान्यतः, ई-बीम लिथोग्राफी का उपयोग केवल अनुसंधान उद्देश्यों के लिए किया जाता है, जब न्यूनतम सुविधा आकार (सामान्यतः, नैनोमीटर के क्रम में) के लिए अत्यंत सूक्ष्म संकल्पों की आवश्यकता होती है। चूंकि, फोटोलिथोग्राफ़िक विधिें उन्नत हो गई हैं, जहां दसियों नैनोमीटर के क्रम में न्यूनतम सुविधा आकार संभव है, जिससे फोटोलिथोग्राफी के माध्यम से रेक्टेना का उत्पादन संभव हो जाता है।<ref name="ids.nic.in" />


== सीमाएं और नुकसान ==
{{Original research|section|date=September 2011}}
जैसा कि पहले कहा गया है, ऑप्टिकल रेक्टेंना की प्रमुख सीमाओं में से एक वह आवृत्ति है जिस पर वे काम करते हैं। तरंग दैर्ध्य की आदर्श श्रेणी में प्रकाश की उच्च आवृत्ति विशिष्ट स्कॉटकी डायोड के उपयोग को अव्यावहारिक बनाती है। हालांकि एमआईएम डायोड ऑप्टिकल रेक्टेंना में उपयोग के लिए आशाजनक विशेषताएं दिखाते हैं, उच्च आवृत्तियों पर कुशलतापूर्वक संचालित करने के लिए अधिक प्रगति आवश्यक है।<ref name="ids.nic.in">{{Cite web |url=http://ids.nic.in/Tnl_Jces_May%202012/PDF1/pdf/6.Nanteena.pdf |title=संग्रहीत प्रति|access-date=2014-05-25 |archive-date=2014-05-25 |archive-url=https://web.archive.org/web/20140525195839/http://ids.nic.in/Tnl_Jces_May%202012/PDF1/pdf/6.Nanteena.pdf |url-status=dead }}</ref>
एक और नुकसान यह है कि इलेक्ट्रॉन बीम ([[ इलेक्ट्रॉन बीम प्रसंस्करण ]] | ई-बीम) लिथोग्राफी का उपयोग करके वर्तमान ऑप्टिकल रेक्टेना का उत्पादन किया जाता है। यह प्रक्रिया धीमी और अपेक्षाकृत महंगी है क्योंकि ई-बीम लिथोग्राफी से समानांतर प्रसंस्करण संभव नहीं है। आमतौर पर, ई-बीम लिथोग्राफी का उपयोग केवल अनुसंधान उद्देश्यों के लिए किया जाता है, जब न्यूनतम सुविधा आकार (आमतौर पर, नैनोमीटर के क्रम में) के लिए अत्यंत सूक्ष्म संकल्पों की आवश्यकता होती है। हालांकि, फोटोलिथोग्राफ़िक तकनीकें उन्नत हो गई हैं, जहां दसियों नैनोमीटर के क्रम में न्यूनतम सुविधा आकार संभव है, जिससे फोटोलिथोग्राफी के माध्यम से रेक्टेना का उत्पादन संभव हो जाता है।<ref name="ids.nic.in"/>




== उत्पादन ==
== उत्पादन ==
{{More citations needed section|date=September 2011}}
अवधारणा का प्रमाण पूरा होने के बाद, मानक अर्धचालक एकीकृत परिपथ निर्माण विधिों का उपयोग करके प्रयोगशाला-पैमाने पर सिलिकॉन वेफर्स का निर्माण किया गया। ई-बीम लिथोग्राफी का उपयोग लूप ऐन्टेना धातु संरचनाओं के सरणियों को गढ़ने के लिए किया गया था। ऑप्टिकल एंटीना में तीन मुख्य भाग: ग्राउंड प्लेन, ऑप्टिकल अनुनाद गुहा और एंटीना होते हैं। ऐन्टेना विद्युत चुम्बकीय तरंग को अवशोषित करता है, ग्राउंड प्लेन ऐन्टेना की ओर प्रकाश को वापस परावर्तित करने के लिए कार्य करता है, और ऑप्टिकल अनुनाद गुहा झुकता है और प्रकाश को ग्राउंड प्लेन के माध्यम से ऐन्टेना की ओर वापस केंद्रित करता है।<ref name ="Novack"/> इस कार्य में डायोड का उत्पादन सम्मिलित नहीं था।
अवधारणा का प्रमाण पूरा होने के बाद, मानक अर्धचालक एकीकृत सर्किट निर्माण तकनीकों का उपयोग करके प्रयोगशाला-पैमाने पर सिलिकॉन वेफर्स का निर्माण किया गया। ई-बीम लिथोग्राफी का उपयोग लूप ऐन्टेना धातु संरचनाओं के सरणियों को गढ़ने के लिए किया गया था। ऑप्टिकल एंटीना में तीन मुख्य भाग होते हैं: ग्राउंड प्लेन, ऑप्टिकल रेजोनेंस कैविटी और एंटीना। ऐन्टेना विद्युत चुम्बकीय तरंग को अवशोषित करता है, ग्राउंड प्लेन ऐन्टेना की ओर प्रकाश को वापस परावर्तित करने के लिए कार्य करता है, और ऑप्टिकल अनुनाद गुहा झुकता है और प्रकाश को ग्राउंड प्लेन के माध्यम से ऐन्टेना की ओर वापस केंद्रित करता है।<ref name ="Novack"/>इस कार्य में डायोड का उत्पादन शामिल नहीं था।


=== लिथोग्राफी विधि ===
=== लिथोग्राफी विधि ===
इडाहो नेशनल लैब्स ने अपने ऑप्टिकल एंटीना सरणी बनाने के लिए निम्न चरणों का उपयोग किया। एक धात्विक ग्राउंड प्लेन को नंगे सिलिकॉन वेफर पर जमा किया गया था, उसके बाद एक स्पटर जमा अनाकार सिलिकॉन परत। जमा परत की गहराई लगभग एक चौथाई तरंग दैर्ध्य थी। ऐन्टेना के रूप में कार्य करने के लिए सोने की आवृत्ति चयनात्मक सतह (वांछित आवृत्ति को फ़िल्टर करने के लिए) के साथ एक पतली मैंगनीज फिल्म जमा की गई थी। प्रतिरोध लागू किया गया था और इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी के माध्यम से प्रतिरूपित किया गया था। सोने की फिल्म को चुनिंदा रूप से उकेरा गया था और प्रतिरोध को हटा दिया गया था।
इडाहो राष्ट्रीय प्रयोगशाला ने अपने ऑप्टिकल एंटीना सरणी बनाने के लिए निम्न चरणों का उपयोग किया। धात्विक ग्राउंड प्लेन को नंगे सिलिकॉन वेफर पर जमा किया गया था, उसके बाद स्पटर जमा अनाकार सिलिकॉन परत। जमा परत की गहराई लगभग चौथाई तरंग दैर्ध्य थी। ऐन्टेना के रूप में कार्य करने के लिए सोने की आवृत्ति चयनात्मक सतह (वांछित आवृत्ति को फ़िल्टर करने के लिए) के साथ पतली मैंगनीज फिल्म जमा की गई थी। प्रतिरोध प्रयुक्त किया गया था और इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी के माध्यम से प्रतिरूपित किया गया था। सोने की फिल्म को श्रेष्ठ रूप से उकेरा गया था और प्रतिरोध को हटा दिया गया था।


===रोल-टू-रोल निर्माण===
===रोल-टू-रोल निर्माण===
बड़े पैमाने पर उत्पादन करने के लिए, [[इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी]] के उपयोग जैसे प्रयोगशाला प्रसंस्करण कदम धीमे और महंगे हैं। इसलिए, एक मास्टर पैटर्न के आधार पर एक नई निर्माण तकनीक का उपयोग करके एक [[रोल-टू-रोल प्रसंस्करण]] | रोल-टू-रोल निर्माण विधि तैयार की गई थी। यह मास्टर पैटर्न यांत्रिक रूप से सटीक पैटर्न को एक सस्ती लचीली सब्सट्रेट पर मुहर लगाता है और इस प्रकार प्रयोगशाला प्रसंस्करण चरणों में देखा जाने वाला धातु पाश तत्व बनाता है। इडाहो नेशनल लेबोरेटरीज द्वारा तैयार किए गए मास्टर टेम्प्लेट में 8 इंच के गोल सिलिकॉन वेफर पर लगभग 10 बिलियन एंटीना तत्व होते हैं। इस अर्ध-स्वचालित प्रक्रिया का उपयोग करते हुए, इडाहो नेशनल लैब्स ने कई 4-इंच वर्ग [[कूपन (सामग्री विज्ञान)]] का उत्पादन किया है। इन कूपनों को ऐन्टेना सरणियों की एक विस्तृत लचीली शीट बनाने के लिए संयोजित किया गया था। इस कार्य में डायोड घटक का उत्पादन शामिल नहीं था।
बड़े पैमाने पर उत्पादन करने के लिए, [[इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी]] के उपयोग जैसे प्रयोगशाला प्रसंस्करण कदम धीमे और मूल्यवान हैं। इसलिए, मास्टर प्रारूप के आधार पर नई निर्माण विधि का उपयोग करके [[रोल-टू-रोल प्रसंस्करण]] निर्माण विधि तैयार की गई थी। यह मास्टर प्रारूप यांत्रिक रूप से त्रुटिहीन प्रारूप को सस्ती लचीली सब्सट्रेट पर मुहर लगाता है और इस प्रकार प्रयोगशाला प्रसंस्करण चरणों में देखा जाने वाला धातु पाश तत्व बनाता है। इडाहो राष्ट्रीय प्रयोगशाला द्वारा तैयार किए गए मास्टर टेम्प्लेट में 8 इंच के गोल सिलिकॉन वेफर पर लगभग 10 बिलियन एंटीना तत्व होते हैं। इस अर्ध-स्वचालित प्रक्रिया का उपयोग करते हुए, इडाहो राष्ट्रीय प्रयोगशाला ने कई 4-इंच वर्ग [[कूपन (सामग्री विज्ञान)]] का उत्पादन किया है। इन कूपनों को ऐन्टेना सरणियों की विस्तृत लचीली शीट बनाने के लिए संयोजित किया गया था। इस कार्य में डायोड घटक का उत्पादन सम्मिलित नहीं था।


===परमाणु परत जमाव===
===परमाणु परत जमाव===
कनेक्टिकट विश्वविद्यालय के शोधकर्ता चयनात्मक क्षेत्र परमाणु परत जमाव नामक एक तकनीक का उपयोग कर रहे हैं जो उन्हें मज़बूती से और औद्योगिक पैमाने पर उत्पादन करने में सक्षम है।<ref>{{cite web|title=यूकोन प्रोफेसर की पेटेंट तकनीक नई सौर ऊर्जा प्रौद्योगिकी की कुंजी|date=4 February 2013|url=http://today.uconn.edu/blog/2013/02/uconn-professors-patented-technique-key-to-new-solar-power-technology/|publisher=University of Connecticut|access-date=22 April 2013}}</ref> दृश्य और अवरक्त प्रकाश के लिए इष्टतम आवृत्तियों के लिए उन्हें ट्यून करने के लिए अनुसंधान जारी है।
कनेक्टिकट विश्वविद्यालय के शोधकर्ता चयनात्मक क्षेत्र परमाणु परत जमाव नामक विधि का उपयोग कर रहे हैं जो उन्हें मज़बूती से और औद्योगिक पैमाने पर उत्पादन करने में सक्षम है।<ref>{{cite web|title=यूकोन प्रोफेसर की पेटेंट तकनीक नई सौर ऊर्जा प्रौद्योगिकी की कुंजी|date=4 February 2013|url=http://today.uconn.edu/blog/2013/02/uconn-professors-patented-technique-key-to-new-solar-power-technology/|publisher=University of Connecticut|access-date=22 April 2013}}</ref> दृश्य और अवरक्त प्रकाश के लिए इष्टतम आवृत्तियों के लिए उन्हें ट्यून करने के लिए अनुसंधान जारी है।


== ऑप्टिकल एंटेना का अर्थशास्त्र ==
== ऑप्टिकल एंटेना का अर्थशास्त्र ==
ऑप्टिकल एंटेना (अपने आप में, महत्वपूर्ण डायोड और अन्य घटकों को छोड़कर) फोटोवोल्टिक से सस्ता है (यदि दक्षता को नजरअंदाज कर दिया जाता है)। जबकि फोटोवोल्टिक की सामग्री और प्रसंस्करण महंगा है (वर्तमान में पूर्ण फोटोवोल्टिक मॉड्यूल की लागत के क्रम में है {{nowrap|430 [[United States dollar|USD]] / m<sup>2</sup>}} 2011 में और गिरावट।<ref name="solarbuzz">Solarbuzz PV module pricing survey, May 2011 <http://solarbuzz.com/facts-and-figures/retail-price-environment/module-prices></ref>), स्टीवन नोवाक ऐन्टेना सामग्री की वर्तमान लागत का अनुमान उसी के आसपास लगाते हैं {{nowrap|5 - 11 USD / m<sup>2</sup>}} 2008 में।<ref name="NPR">"[https://www.npr.org/templates/story/story.php?storyId=93872974 Nanoheating]", Talk of the Nation. National Public Radio. 22 Aug. 2008. Transcript. NPR. 15 Feb. 2009.</ref> उचित प्रसंस्करण तकनीकों और विभिन्न सामग्रियों के चयन के साथ, उनका अनुमान है कि प्रसंस्करण की समग्र लागत, एक बार ठीक से बढ़ाए जाने पर, अधिक लागत नहीं आएगी। उनका प्रोटोटाइप ए था {{nowrap|30 x 61 cm}} प्लास्टिक का, जिसमें केवल निहित है {{nowrap|0.60 USD}2008 में सोने का, [[अल्युमीनियम]], तांबा, या चांदी जैसी सामग्री के उन्नयन की संभावना के साथ।<ref name="Green">Green, Hank. "[http://www.ecogeek.org/content/view/1357/ Nano-Antennas for Solar, Lighting, and Climate Control] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20090422051436/http://www.ecogeek.org/content/view/1357/ |date=2009-04-22 }}", ''Ecogeek''. 7 Feb. 2008.  15 Feb. 2009. Interview with Dr. Novack.</ref> प्रोटोटाइप ने परिचित प्रसंस्करण तकनीकों के कारण एक सिलिकॉन सब्सट्रेट का उपयोग किया, लेकिन किसी भी सब्सट्रेट को सैद्धांतिक रूप से तब तक इस्तेमाल किया जा सकता है जब तक ग्राउंड प्लेन सामग्री ठीक से पालन करती है।
ऑप्टिकल एंटेना (अपने आप में, महत्वपूर्ण डायोड और अन्य घटकों को छोड़कर) फोटोवोल्टिक (यदि दक्षता को नजरअंदाज कर दिया जाता है) से सस्ता है। जबकि फोटोवोल्टिक की सामग्री और प्रसंस्करण महंगा है (वर्तमान में पूर्ण फोटोवोल्टिक मॉड्यूल की निवेश 2011 में {{nowrap|430 [[United States dollar|यूएसडी]] / मी<sup>2</sup>}} के क्रम में है और घट रही है।<ref name="solarbuzz">Solarbuzz PV module pricing survey, May 2011 <http://solarbuzz.com/facts-and-figures/retail-price-environment/module-prices></ref>) स्टीवन नोवाक का अनुमान है कि एंटीना सामग्री की वर्तमान निवेश लगभग {{nowrap|5 - 11 USD / m<sup>2</sup>}} 2008 में है।<ref name="NPR">"[https://www.npr.org/templates/story/story.php?storyId=93872974 Nanoheating]", Talk of the Nation. National Public Radio. 22 Aug. 2008. Transcript. NPR. 15 Feb. 2009.</ref> उचित प्रसंस्करण विधिों और विभिन्न सामग्रियों के चयन के साथ, उनका अनुमान है कि प्रसंस्करण की समग्र निवेश, बार ठीक से बढ़ाए जाने पर, अधिक निवेश नहीं आएगी। उनका प्रोटोटाइप ए था {{nowrap|30 x 61 cm}} प्लास्टिक का था जिसमें 2008 में केवल 0.60 यूएसडी सोना था, जिसमें, [[अल्युमीनियम|एल्युमीनियम]], तांबा, या चांदी जैसी सामग्री के उन्नयन करने की संभावना थी।<ref name="Green">Green, Hank. "[http://www.ecogeek.org/content/view/1357/ Nano-Antennas for Solar, Lighting, and Climate Control] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20090422051436/http://www.ecogeek.org/content/view/1357/ |date=2009-04-22 }}", ''Ecogeek''. 7 Feb. 2008.  15 Feb. 2009. Interview with Dr. Novack.</ref> प्रोटोटाइप ने परिचित प्रसंस्करण विधिों के कारण सिलिकॉन सब्सट्रेट का उपयोग किया, किन्तु किसी भी सब्सट्रेट को सैद्धांतिक रूप से तब तक प्रयोग किया जा सकता है जब तक ग्राउंड प्लेन सामग्री ठीक से पालन करती है।


== भविष्य अनुसंधान और लक्ष्य ==
== भविष्य अनुसंधान और लक्ष्य ==
नेशनल पब्लिक रेडियो के टॉक ऑफ़ द नेशन पर एक साक्षात्कार में, डॉ. नोवाक ने दावा किया कि एक दिन ऑप्टिकल रेक्टेना का उपयोग कारों को चलाने, सेल फोन चार्ज करने और यहां तक ​​कि ठंडे घरों में भी किया जा सकता है। नोवाक ने दावा किया कि इनमें से अंतिम कमरे में उपलब्ध इन्फ्रारेड गर्मी को अवशोषित करके और बिजली पैदा करके काम करेगा जिसका उपयोग कमरे को और ठंडा करने के लिए किया जा सकता है। (अन्य वैज्ञानिकों ने यह कहते हुए इस पर विवाद किया है कि यह ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम का उल्लंघन करेगा।<ref>{{Cite book |publisher = Springer New York |isbn = 978-1-4614-3715-4 |pages = 3–24 |editor = Garret Moddel |editor2 = Sachit Grover  |last = Moddel |first = Garret |title = रेक्टेना सोलर सेल|chapter = Will रेक्टेना सोलर सेलBe Practical? |date = 2013 |doi = 10.1007/978-1-4614-3716-1_1 }} Quote: "There has been some discussion in the literature of using infrared rectennas to harvest heat radiated from the earth’s surface. This cannot be accomplished with ambient-temperature solar cells due to the second law of thermodynamics" (page 18)</ref><ref>{{cite journal |author=S.J. Byrnes |author2=R. Blanchard |author3=F. Capasso |title=पृथ्वी के मध्य-अवरक्त उत्सर्जन से नवीकरणीय ऊर्जा का संचयन|journal=PNAS |date=2014 |doi=10.1073/pnas.1402036111 |url=http://sjbyrnes.com/pub_PNAS_2014.pdf |volume=111 |issue=11 |pages=3927–3932 |pmid=24591604 |pmc=3964088|bibcode=2014PNAS..111.3927B |doi-access=free }} Quote: "...there have also been occasional suggestions in the literature to use rectennas or other devices to harvest energy from LWIR radiation (20-23). However, these analyses have neglected the thermal fluctuations of the diode, as discussed below and in ref. 12, which leads to the absurd conclusion that a room-temperature device can generate useful power from collecting the ambient radiation from room-temperature objects."</ref>)
राष्ट्रीय पब्लिक रेडियो के टॉक ऑफ़ द नेशन पर साक्षात्कार में, डॉ. नोवाक ने प्रमाणित  किया कि दिन ऑप्टिकल रेक्टेना का उपयोग कारों को चलाने, सेल फोन चार्ज करने और यहां तक ​​कि ठंडे घरों में भी किया जा सकता है। नोवाक ने प्रमाणित  किया कि इनमें से अंतिम कमरे में उपलब्ध अवरक्त विकिरण गर्मी को अवशोषित करके और विद्युत उत्पन्न करके काम करेगा जिसका उपयोग कमरे को और ठंडा करने के लिए किया जा सकता है। (अन्य वैज्ञानिकों ने यह कहते हुए इस पर विवाद किया है कि यह ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम का उल्लंघन करता है।<ref>{{Cite book |publisher = Springer New York |isbn = 978-1-4614-3715-4 |pages = 3–24 |editor = Garret Moddel |editor2 = Sachit Grover  |last = Moddel |first = Garret |title = रेक्टेना सोलर सेल|chapter = Will रेक्टेना सोलर सेलBe Practical? |date = 2013 |doi = 10.1007/978-1-4614-3716-1_1 }} Quote: "There has been some discussion in the literature of using infrared rectennas to harvest heat radiated from the earth’s surface. This cannot be accomplished with ambient-temperature solar cells due to the second law of thermodynamics" (page 18)</ref><ref>{{cite journal |author=S.J. Byrnes |author2=R. Blanchard |author3=F. Capasso |title=पृथ्वी के मध्य-अवरक्त उत्सर्जन से नवीकरणीय ऊर्जा का संचयन|journal=PNAS |date=2014 |doi=10.1073/pnas.1402036111 |url=http://sjbyrnes.com/pub_PNAS_2014.pdf |volume=111 |issue=11 |pages=3927–3932 |pmid=24591604 |pmc=3964088|bibcode=2014PNAS..111.3927B |doi-access=free }} Quote: "...there have also been occasional suggestions in the literature to use rectennas or other devices to harvest energy from LWIR radiation (20-23). However, these analyses have neglected the thermal fluctuations of the diode, as discussed below and in ref. 12, which leads to the absurd conclusion that a room-temperature device can generate useful power from collecting the ambient radiation from room-temperature objects."</ref>)


डायोड में सुधार एक महत्वपूर्ण चुनौती है। दो चुनौतीपूर्ण आवश्यकताएँ हैं: गति और अरैखिकता। सबसे पहले, डायोड में दृश्य प्रकाश को ठीक करने के लिए पर्याप्त गति होनी चाहिए। दूसरा, जब तक आने वाली रोशनी बेहद तीव्र न हो, रिवर्स-बायस रिसाव से बचने के लिए डायोड को अत्यधिक गैर-रैखिक (रिवर्स करंट की तुलना में बहुत अधिक आगे की धारा) होना चाहिए। सौर ऊर्जा संग्रह के लिए एक आकलन में पाया गया कि, उच्च दक्षता प्राप्त करने के लिए, डायोड को 1V रिवर्स बायस पर 1μA से बहुत कम (अंधेरे) वर्तमान की आवश्यकता होगी।<ref>''Rectenna Solar Cells'', ed. Moddel and Grover, page 10</ref> इस आकलन ने (आशावादी रूप से) मान लिया कि ऐन्टेना एक ऐन्टेना सरणी (विद्युत चुम्बकीय) है जो सीधे सूर्य की ओर इशारा करती है; एक रेक्टेना जो पूरे आकाश से प्रकाश एकत्र करता है, जैसे कि एक विशिष्ट सिलिकॉन सौर सेल करता है, परिमाण के क्रम से रिवर्स-बायस करंट को और भी कम करने की आवश्यकता होगी। (डायोड को एक साथ एक उच्च अग्र-पूर्वाग्रह धारा की आवश्यकता होती है, जो ऐन्टेना से प्रतिबाधा-मिलान से संबंधित है।)
डायोड में सुधार महत्वपूर्ण चुनौती है। दो चुनौतीपूर्ण आवश्यकताएँ हैं: गति और अरैखिकता। सबसे पहले, डायोड में दृश्य प्रकाश को ठीक करने के लिए पर्याप्त गति होनी चाहिए। दूसरा, जब तक आने वाली रोशनी अत्यधिक तीव्र न हो, रिवर्स-बायस रिसाव से बचने के लिए डायोड को अत्यधिक गैर-रैखिक (रिवर्स धारा की तुलना में बहुत अधिक आगे की धारा) होना चाहिए। सौर ऊर्जा संग्रह के लिए आकलन में पाया गया कि, उच्च दक्षता प्राप्त करने के लिए, डायोड को 1V रिवर्स बायस पर 1μA से बहुत कम (अंधेरे) वर्तमान की आवश्यकता होगी।<ref>''Rectenna Solar Cells'', ed. Moddel and Grover, page 10</ref> इस आकलन ने (आशावादी रूप से) मान लिया कि ऐन्टेना ऐन्टेना सरणी (विद्युत चुम्बकीय) है जो सीधे सूर्य की ओर संकेत करती है; रेक्टेना जो पूरे आकाश से प्रकाश एकत्र करता है, जैसे कि विशिष्ट सिलिकॉन सौर सेल करता है, परिमाण के क्रम से रिवर्स-बायस धारा को और भी कम करने की आवश्यकता होगी। (डायोड को साथ उच्च अग्र-पूर्वाग्रह धारा की आवश्यकता होती है, जो ऐन्टेना से प्रतिबाधा-मिलान से संबंधित है।)


उच्च गति के लिए विशेष डायोड हैं (उदाहरण के लिए, ऊपर चर्चा की गई धातु-इन्सुलेटर-मेटल टनल डायोड), और उच्च अरैखिकता के लिए विशेष डायोड हैं, लेकिन एक डायोड को ढूंढना काफी मुश्किल है जो एक ही बार में दोनों मामलों में उत्कृष्ट हो।
उच्च गति के लिए विशेष डायोड हैं (उदाहरण के लिए, ऊपर चर्चा की गई धातु-इन्सुलेटर-मेटल टनल डायोड), और उच्च अरैखिकता के लिए विशेष डायोड हैं, किन्तु डायोड को ढूंढना अधिक  जटिल है जो ही बार में दोनों स्थितियों में उत्कृष्ट हो।


कार्बन नैनोट्यूब-आधारित रेक्टेना की दक्षता में सुधार करने के लिए:
कार्बन नैनोट्यूब-आधारित रेक्टेना की दक्षता में सुधार करने के लिए:
* लो [[ समारोह का कार्य ]]: डायोड एसिमेट्री को अधिकतम करने के लिए MWCNT के बीच एक बड़े वर्क फंक्शन (WF) अंतर की आवश्यकता होती है, जो फोटोरेस्पॉन्स को प्रेरित करने के लिए आवश्यक टर्न-ऑन वोल्टेज को कम करता है। कार्बन नैनोट्यूब का WF 5 eV है और कैल्शियम की शीर्ष परत का WF 2.9 eV है, जो MIM डायोड के लिए 2.1 eV का कुल कार्य कार्य अंतर देता है।
* कम[[ समारोह का कार्य | काम का कार्य]] : डायोड एसिमेट्री को अधिकतम करने के लिए एमडब्ल्यूसीएनटी के बीच बड़े वर्क फलन (डब्लूएफ) अंतर की आवश्यकता होती है, जो फोटोरेस्पॉन्स को प्रेरित करने के लिए आवश्यक टर्न-ऑन वोल्टेज को कम करता है। कार्बन नैनोट्यूब का डब्लूएफ 5 eV है और कैल्शियम की शीर्ष परत का डब्लूएफ 2.9 eV है, जो एमआईएम डायोड के लिए 2.1 eV का कुल कार्य कार्य अंतर देता है।
* उच्च पारदर्शिता: आदर्श रूप से, शीर्ष इलेक्ट्रोड परतें आने वाली रोशनी को एमडब्ल्यूसीएनटी एंटीना तक पहुंचने की अनुमति देने के लिए पारदर्शी होनी चाहिए।
* उच्च पारदर्शिता: आदर्श रूप से, शीर्ष इलेक्ट्रोड परतें आने वाली रोशनी को एमडब्ल्यूसीएनटी एंटीना तक पहुंचने की अनुमति देने के लिए पारदर्शी होनी चाहिए।
* कम विद्युत प्रतिरोध: उपकरण चालकता में सुधार से संशोधित बिजली उत्पादन में वृद्धि होती है। लेकिन डिवाइस के प्रदर्शन पर प्रतिरोध के अन्य प्रभाव भी हैं। ऐन्टेना और डायोड के बीच आदर्श प्रतिबाधा मिलान संशोधित शक्ति को बढ़ाता है। संरचना के प्रतिरोध को कम करने से डायोड कटऑफ आवृत्ति भी बढ़ जाती है, जो बदले में प्रकाश की सुधारित आवृत्तियों के प्रभावी बैंडविड्थ को बढ़ाती है। शीर्ष परत में कैल्शियम का उपयोग करने का वर्तमान प्रयास कैल्शियम के तेजी से ऑक्सीकरण के कारण उच्च प्रतिरोध का परिणाम है।
* कम विद्युत प्रतिरोध: उपकरण चालकता में सुधार से संशोधित विद्युत उत्पादन में वृद्धि होती है। किन्तु उपकरण के प्रदर्शन पर प्रतिरोध के अन्य प्रभाव भी हैं। ऐन्टेना और डायोड के बीच आदर्श प्रतिबाधा मिलान संशोधित शक्ति को बढ़ाता है। संरचना के प्रतिरोध को कम करने से डायोड कटऑफ आवृत्ति भी बढ़ जाती है, जो बदले में प्रकाश की सुधारित आवृत्तियों के प्रभावी बैंडविड्थ को बढ़ाती है। शीर्ष परत में कैल्शियम का उपयोग करने का वर्तमान प्रयास कैल्शियम के तेजी से ऑक्सीकरण के कारण उच्च प्रतिरोध का परिणाम है।


शोधकर्ताओं को वर्तमान में एक रेक्टीफायर बनाने की उम्मीद है जो एंटीना के लगभग 50% अवशोषण को ऊर्जा में परिवर्तित कर सकता है।<ref name="NPR" />अनुसंधान का एक और ध्यान इस बात पर होगा कि बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए प्रक्रिया को ठीक से कैसे बढ़ाया जाए। नई सामग्रियों को चुनने और परीक्षण करने की आवश्यकता होगी जो रोल-टू-रोल निर्माण प्रक्रिया का आसानी से पालन करेंगे। भविष्य के लक्ष्य लचीले सौर सेल बनाने के लिए लचीले सबस्ट्रेट्स पर उपकरणों के निर्माण का प्रयास करना होगा।
शोधकर्ताओं को वर्तमान में रेक्टीफायर बनाने की उम्मीद है जो एंटीना के लगभग 50% अवशोषण को ऊर्जा में परिवर्तित कर सकता है।<ref name="NPR" /> अनुसंधान का और ध्यान इस बात पर होगा कि बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए प्रक्रिया को ठीक से कैसे बढ़ाया जाए। नई सामग्रियों को चुनने और परीक्षण करने की आवश्यकता होगी जो रोल-टू-रोल निर्माण प्रक्रिया का आसानी से पालन करेंगे। भविष्य के लक्ष्य लचीले सौर सेल बनाने के लिए लचीले सबस्ट्रेट्स पर उपकरणों के निर्माण का प्रयास करना होता है।


== यह भी देखें ==
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Latest revision as of 13:23, 18 March 2023

चित्र 1. सौर स्पेक्ट्रम में तरंग दैर्ध्य का वर्णक्रमीय विकिरण। लाल छायांकित क्षेत्र समुद्र तल पर विकिरण को दर्शाता है। वायुमंडल द्वारा प्रकाश के अवशोषण के कारण समुद्र तल पर कम विकिरण होता है।

ऑप्टिकल रेक्टेना एक रेक्टेंना (एंटीना को सुधारने वाला) है जो दृश्य या अवरक्त प्रकाश के साथ काम करता है।[1] रेक्टेना एक परिपथ होता है जिसमें एंटीना (रेडियो) और डायोड होता है, जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों को प्रत्यक्ष वर्तमान विद्युत में बदल देता है। जबकि रेक्टेंना लंबे समय से रेडियो तरंगों या माइक्रोवेव के लिए उपयोग किया जाता है, ऑप्टिकल रेक्टेंना उसी तरह काम करेगा किन्तु अवरक्त विकिरण या दृश्य प्रकाश के साथ, इसे विद्युत में बदल देगा।

जबकि पारंपरिक (रेडियो- और माइक्रोवेव) रेक्टेंना मौलिक रूप से ऑप्टिकल रेक्टेंना के समान हैं, यह ऑप्टिकल रेक्टेंना बनाने के लिए व्यवहार में बहुत अधिक चुनौतीपूर्ण है। एक चुनौती यह है कि दृश्य प्रकाश के लिए प्रकाश में इतनी उच्च आवृत्ति सैकड़ों टेराहर्ट्ज़ होती है कि केवल कुछ प्रकार के विशेष डायोड ही इसे ठीक करने के लिए पर्याप्त रूप से स्विच कर सकते हैं। एक और चुनौती यह है कि एंटेना तरंग दैर्ध्य के समान आकार के होते हैं, इसलिए बहुत छोटे ऑप्टिकल एंटीना के लिए चुनौतीपूर्ण नैनो विधि निर्माण प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। तीसरी चुनौती यह है कि, बहुत छोटा होने के कारण, ऑप्टिकल एंटीना सामान्यतः बहुत कम शक्ति को अवशोषित करता है, और इसलिए डायोड में छोटे से वोल्टेज का उत्पादन करता है, जिससे कम डायोड अरैखिकता और इसलिए कम दक्षता होती है। इन और अन्य चुनौतियों के कारण, ऑप्टिकल रेक्टेंना को अब तक प्रयोगशाला प्रदर्शनों तक ही सीमित रखा गया है, सामान्यतः तीव्र केंद्रित लेजर प्रकाश के साथ छोटी किन्तु औसत दर्जे की शक्ति का उत्पादन होता है।

फिर भी, यह आशा की जाती है कि ऑप्टिकल रेक्टेना की सरणियाँ अंततः सूर्य के प्रकाश को विद्युत शक्ति में परिवर्तित करने का कुशल साधन हो सकती हैं, जो पारंपरिक सौर सेलों की तुलना में अधिक कुशलता से सौर ऊर्जा का उत्पादन करती हैं। यह विचार पहली बार 1972 में रॉबर्ट एल बेली द्वारा प्रस्तावित किया गया था।[2] 2012 तक, केवल कुछ ऑप्टिकल रेक्टेंना उपकरणों का निर्माण किया गया है, जो दर्शाता है कि केवल ऊर्जा रूपांतरण संभव है।[3] यह अज्ञात है कि क्या वे परंपरागत फोटोवोल्टिक सेल के रूप में निवेश प्रभावी या कुशल होंगे।

नैनटेना (नैनो-एंटीना) शब्द का प्रयोग कभी-कभी या तो ऑप्टिकल रेक्टेना या ऑप्टिकल एंटीना को संदर्भित करने के लिए किया जाता है।[4] 2008 में यह बताया गया था कि इडाहो राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं ने 3-15 माइक्रोन की सीमा में तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करने के लिए ऑप्टिकल एंटीना तैयार किया था।[5] ये तरंग दैर्ध्य 0.4 eV से 0.08 eV तक की फोटॉन ऊर्जा के अनुरूप हैं. एंटीना सिद्धांत के आधार पर, ऑप्टिकल एंटीना प्रकाश की किसी भी तरंग दैर्ध्य को कुशलतापूर्वक अवशोषित कर सकता है, परन्तु एंटीना का आकार उस विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के लिए अनुकूलित होना चाहिये। आदर्श रूप से, एंटेना का उपयोग 0.4 और 1.6 μm के बीच तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश को अवशोषित करने के लिए किया जाएगा क्योंकि इन तरंग दैर्ध्य में दूर-अवरक्त (लंबी तरंग दैर्ध्य) की तुलना में उच्च ऊर्जा होती है और सौर विकिरण स्पेक्ट्रम (चित्र 1 देखें) का लगभग 85% भाग बनाती है।[6]

इतिहास

रॉबर्ट बेली, जेम्स सी. फ्लेचर के साथ 1973 में "विद्युत चुम्बकीय तरंग ऊर्जा परिवर्तक" के लिए एक पेटेंट (US 3760257 ) प्राप्त किया। पेटेंट उपकरण आधुनिक ऑप्टिकल रेक्टेंना के समान था। पेटेंट एक पतली ऑक्साइड परत से ढकी धातु की सतह पर 100 एनएम-व्यास वाली धातु बिल्ली की मूंछ को सफेद करने के लिए आईईईई स्पेक्ट्रम, अक्टूबर 1971 पृष्ठ 91 में "[अली जवन] द्वारा वर्णित प्रकार" डायोड के उपयोग पर चर्चा करता है। जावन को 58 THz अवरक्त विकिरण लाइट में सुधार करने की सूचना मिली थी। 1974 में, टी. गुस्ताफसन और उनके साथियों ने प्रदर्शित किया कि इस प्रकार के उपकरण दृश्यमान प्रकाश को डीसी धारा तक भी ठीक कर सकते हैं[7] एल्विन एम. मार्क्स को 1984 में उपकरण के लिए पेटेंट प्राप्त हुआ, जिसमें स्पष्ट रूप से उप-माइक्रोन एंटेना के उपयोग को प्रकाश शक्ति के विद्युत शक्ति में सीधे रूपांतरण के लिए बताया गया था।[8] मार्क्स के उपकरण ने बेली के उपकरण की तुलना में दक्षता में पर्याप्त सुधार दिखाया।[9]

1996 में, गुआंग एच. लिन ने गढ़े हुए नैनोसंरचना द्वारा गुंजयमान प्रकाश अवशोषण और दृश्यमान सीमा में आवृत्तियों के साथ प्रकाश के सुधार की सूचना दिया था।[9] 2002 में, आईटीएन एनर्जी सिस्टम्स इंक. ने उच्च आवृत्ति वाले डायोड के साथ युग्मित ऑप्टिकल एंटेना पर अपने काम पर सूची प्रकाशित किया था। आईटीएन ने सिंगल डिजिट एफिशिएंसी के साथ ऑप्टिकल रेक्टेना एरे बनाने की तैयारी की है। चूंकि वे असफल रहे थे किन्तु एक उच्च दक्षता वाले ऑप्टिकल रेक्टेना के निर्माण से जुड़े उद्देश्यों को उत्तम प्रणाली से समझा गया था।[6]

2015 में, जॉर्जिया विधिी संस्थान में बाराटुंडे ए. कोला की शोध टीम ने सौर ऊर्जा संग्राहक विकसित किया जो कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग करके ऑप्टिकल प्रकाश को डीसी धारा में परिवर्तित कर सकता है।[10] धातु-लेपित सबस्ट्रेट्स पर उगाए गए मल्टीवॉल कार्बन नैनोट्यूब (एमडब्ल्यूसीएनटी) के वर्टिकल एरेज़ को इन्सुलेट एल्यूमीनियम ऑक्साइड के साथ लेपित किया गया था और पूरी तरह से धातु इलेक्ट्रोड परत के साथ छाया हुआ था। नैनोट्यूब के छोटे आयाम एंटीना के रूप में कार्य करते हैं, जो ऑप्टिकल तरंग दैर्ध्य को पकड़ने में सक्षम होते हैं। एमडब्ल्यूसीएनटी धातु-इन्सुलेटर-धातु (एमआईएम) टनलिंग डायोड की परत के रूप में भी दोगुना हो जाता है। एमडब्ल्यूसीएनटी युक्तियों के छोटे व्यास के कारण, यह संयोजन डायोड बनाता है जो उच्च आवृत्ति वाले ऑप्टिकल विकिरण को ठीक करने में सक्षम है। इस उपकरण की कुल रूपांतरण दक्षता लगभग 10−5% है।[10] फिर भी, ऑप्टिकल रेक्टेना अनुसंधान जारी है।

इन कार्बन नैनोट्यूब रेक्टेना उपकरणों का प्राथमिक दोष वायु स्थिरता की कमी है। मूल रूप से कोला द्वारा सूची की गई उपकरण संरचना में कैल्शियम का उपयोग अर्ध-पारदर्शी शीर्ष इलेक्ट्रोड के रूप में किया गया था क्योंकि एमडब्ल्यूसीएनटी (~ 5 eV) के सापेक्ष कैल्शियम (2.9 eV) का कम कार्य कार्य ऑप्टिकल सुधार के लिए आवश्यक डायोड विषमता बनाता है। चूंकि, धात्विक कैल्शियम हवा में अत्यधिक अस्थिर होता है और तेजी से ऑक्सीकरण करता है। उपकरण को खराब होने से बचाने के लिए निष्क्रिय वातावरण के अनुसार ग्लवबॉक्स के अंदर मापन किया जाना था। उपकरणों का यह सीमित व्यावहारिक अनुप्रयोग है।

इस नई पीढ़ी के रेक्टेना की हवा-स्थिरता को डायोड के क्वांटम टनलिंग बैरियर की सिलाई करके प्राप्त किया गया था। एकल ढांकता हुआ इन्सुलेटर के अतिरिक्त, उन्होंने दिखाया कि कई अलग-अलग ऑक्साइड परतों का उपयोग डायोड टनलिंग बैरियर को संशोधित करके डायोड के प्रदर्शन को बढ़ाता है। विभिन्न इलेक्ट्रॉन समानता वाले आक्साइड का उपयोग करके, दो इलेक्ट्रोड के कार्य फंक्शन की परवाह किए बिना असममित डायोड प्रतिक्रिया उत्पन्न करने के लिए इलेक्ट्रॉन टनलिंग को इंजीनियर किया जा सकता है। Al2O3 और HfO2 की परतों का उपयोग करके, एक डबल-इन्सुलेटर डायोड (धातु-इन्सुलेटर-इन्सुलेटर-धातु (एमआईआईएम)) का निर्माण किया गया था, जिसने डायोड की असममित प्रतिक्रिया को कम कार्य फ़ंक्शन कैल्शियम और शीर्ष धातु की आवश्यकता के बिना 10 गुना से अधिक सुधार दिया। बाद में इसे हवा-स्थिर चांदी से बदल दिया गया ।

भविष्य के प्रयासों को वैकल्पिक सामग्री की जांच करके, इंटरफ़ेस पर चालन को प्रोत्साहित करने के लिए एमडब्ल्यूसीएनटी और इन्सुलेट परतों में हेरफेर करके और संरचना के अंदर प्रतिरोध को कम करके उपकरण दक्षता में सुधार करने पर ध्यान केंद्रित किया जाएगा।

सिद्धांत

ऑप्टिकल रेक्टेंना के पीछे का सिद्धांत अनिवार्य रूप से पारंपरिक (रेडियो या माइक्रोवेव) रेक्टेंना के समान है। ऐन्टेना पर आपतित प्रकाश ऐन्टेना में इलेक्ट्रॉनों को आने वाली रोशनी के समान आवृत्ति पर आगे और पीछे जाने का कारण बनता है। यह आने वाली विद्युत चुम्बकीय तरंग के दोलनशील विद्युत क्षेत्र के कारण होता है। ऐन्टेना परिपथ में इलेक्ट्रॉनों की गति प्रत्यावर्ती धारा (एसी) है। इसे दिष्टधारा (डीसी) में बदलने के लिए, प्रत्यावर्ती धारा को ठीक किया जाना चाहिए, जो सामान्यतः डायोड के साथ किया जाता है। परिणामी डीसी धारा का उपयोग बाहरी भार को शक्ति देने के लिए किया जा सकता है।

एंटेना की गुंजयमान आवृत्ति (आवृत्ति जिसके परिणामस्वरूप सबसे कम प्रतिबाधा होती है और इस प्रकार उच्चतम दक्षता) सरल माइक्रोवेव एंटीना सिद्धांत के अनुसार एंटीना के भौतिक आयामों के साथ रैखिक रूप से मापती है।[6] सौर स्पेक्ट्रम में तरंग दैर्ध्य लगभग 0.3-2.0 माइक्रोन से होता है।[6] इस प्रकार, सौर स्पेक्ट्रम में कुशल विद्युत चुम्बकीय संग्राहक होने के लिए सुधारात्मक एंटीना के लिए, इसे आकार में सैकड़ों एनएम के क्रम में होना चाहिए।

चित्र 3. उच्च आवृत्तियों पर त्वचा प्रभाव दिखाने वाली छवि। सतह पर अंधेरा क्षेत्र, इलेक्ट्रॉन प्रवाह को निरुपित करता है जहां हल्का क्षेत्र (आंतरिक) इलेक्ट्रॉन प्रवाह को कम या बिल्कुल नहीं दर्शाता है।

विशिष्ट सुधारात्मक ऐन्टेना सिद्धांत में उपयोग किए जाने वाले सरलीकरण के कारण, ऑप्टिकल रेक्टेंना पर चर्चा करते समय कई जटिलताएँ उत्पन्न होती हैं। अवरक्त विकिरण से ऊपर की आवृत्तियों पर, लगभग सभी धारा को तार की सतह के पास ले जाया जाता है जो तार के प्रभावी क्रॉस सेक्शनल क्षेत्र को कम कर देता है, जिससे प्रतिरोध में वृद्धि होती है। इस प्रभाव को त्वचा प्रभाव के रूप में भी जाना जाता है। विशुद्ध रूप से डिवाइस के नजरिए से I-V विशेषताएँ अब ओमिक नहीं होंगी, चाहे ओम का नियम अपने सामान्यीकृत वेक्टर रूप में अभी भी मान्य है।

स्केलिंग डाउन की और जटिलता यह है कि बड़े पैमाने पर रेक्टेंना में उपयोग किए जाने वाले डायोड विद्युत में बड़े हानि के बिना THz आवृत्तियों पर काम नहीं कर सकते।[5] पी-एन संयोजन डायोड और स्कॉटकी डायोड में पाए जाने वाले संयोजन धारिता (जिसे पराश्रयी धारिता भी कहा जाता है) का परिणाम है, जो केवल 5 THz से कम आवृत्तियों पर प्रभावी प्रणाली से काम कर सकता है।[6] 0.4–1.6 μm की आदर्श तरंग दैर्ध्य लगभग 190–750 THz की आवृत्तियों के अनुरूप होती है, जो विशिष्ट डायोड की क्षमताओं से बहुत अधिक है। इसलिए, कुशल विद्युत रूपांतरण के लिए वैकल्पिक डायोड का उपयोग करने की आवश्यकता है। वर्तमान ऑप्टिकल रेक्टेना उपकरणों में, मेटल-इन्सुलेटर-मेटल (एमआईएम) टनलिंग डायोड का उपयोग किया जाता है। शोट्की डायोड के विपरीत, एमआईएम डायोड पराश्रयी धारिता से प्रभावित नहीं होते हैं क्योंकि वे क्वांटम टनलिंग के आधार पर काम करते हैं। इस कारण से, एमआईएम डायोड को लगभग 150 THz की आवृत्तियों पर प्रभावी प्रणाली से संचालित करने के लिए दिखाया गया है .[6]


लाभ

ऑप्टिकल रेक्टेंना के सबसे बड़े प्रमाणित किए गए लाभों में से उनकी उच्च सैद्धांतिक दक्षता है। एकल संयोजन सौर सेलों (30%) की सैद्धांतिक दक्षता की तुलना में, ऑप्टिकल रेक्टेंना का महत्वपूर्ण लाभ होता है। चूँकि, दो दक्षताओं की गणना अलग-अलग मान्यताओं का उपयोग करके की जाती है। रेक्टेंना गणना में सम्मिलित धारणाएँ सौर संग्राहकों की कार्नाट दक्षता के अनुप्रयोग पर आधारित हैं। कार्नोट दक्षता, η, द्वारा दी गई है

जहां Tcold कूलर शरीर का तापमान है और Thot गर्म शरीर का तापमान है। कुशल ऊर्जा रूपांतरण होने के लिए, दो पिंडों के बीच तापमान का अंतर महत्वपूर्ण होना चाहिए। आर एल बेली का प्रमाणित है कि रेक्टेंना कार्नोट दक्षता द्वारा सीमित नहीं हैं, जबकि फोटोवोल्टिक हैं। चूँकि, वह इस दावे के लिए कोई तर्क नहीं देता है। इसके अतिरिक्त, जब रेक्टेंना के लिए 85% सैद्धांतिक दक्षता प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली समान धारणाएं एकल संयोजन सौर सेलों पर प्रयुक्त होती हैं, तो एकल संयोजन सौर सेलों की सैद्धांतिक दक्षता भी 85% से अधिक होती है।

अर्धचालक फोटोवोल्टिक्स पर ऑप्टिकल रेक्टेंना का सबसे स्पष्ट लाभ यह है कि रेक्टेना सरणियों को प्रकाश की किसी भी आवृत्ति को अवशोषित करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है। ऑप्टिकल ऐन्टेना की गुंजयमान आवृत्ति को उसकी लंबाई को बदलकर चुना जा सकता है। यह अर्धचालक फोटोवोल्टिक्स पर लाभ है, क्योंकि प्रकाश के विभिन्न तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करने के लिए, विभिन्न बैंड अंतरालों की आवश्यकता होती है। बैंड गैप को बदलने के लिए, अर्धचालक को मिश्रित होना चाहिए या अलग अर्धचालक का पूरी तरह से उपयोग किया जाना चाहिए।[5]


सीमाएं और हानियाँ

जैसा कि पहले कहा गया है, ऑप्टिकल रेक्टेंना की प्रमुख सीमाओं में से वह आवृत्ति है जिस पर वे काम करते हैं। तरंग दैर्ध्य की आदर्श श्रेणी में प्रकाश की उच्च आवृत्ति विशिष्ट स्कॉटकी डायोड के उपयोग को अव्यावहारिक बनाती है। चूंकि एमआईएम डायोड ऑप्टिकल रेक्टेंना में उपयोग के लिए आशाजनक विशेषताएं दिखाते हैं, उच्च आवृत्तियों पर कुशलतापूर्वक संचालित करने के लिए अधिक प्रगति आवश्यक है।[11]

और हानि यह है कि इलेक्ट्रॉन बीम ( इलेक्ट्रॉन बीम प्रसंस्करण) लिथोग्राफी का उपयोग करके वर्तमान ऑप्टिकल रेक्टेना का उत्पादन किया जाता है। यह प्रक्रिया धीमी और अपेक्षाकृत महंगी है क्योंकि ई-बीम लिथोग्राफी से समानांतर प्रसंस्करण संभव नहीं है। सामान्यतः, ई-बीम लिथोग्राफी का उपयोग केवल अनुसंधान उद्देश्यों के लिए किया जाता है, जब न्यूनतम सुविधा आकार (सामान्यतः, नैनोमीटर के क्रम में) के लिए अत्यंत सूक्ष्म संकल्पों की आवश्यकता होती है। चूंकि, फोटोलिथोग्राफ़िक विधिें उन्नत हो गई हैं, जहां दसियों नैनोमीटर के क्रम में न्यूनतम सुविधा आकार संभव है, जिससे फोटोलिथोग्राफी के माध्यम से रेक्टेना का उत्पादन संभव हो जाता है।[11]


उत्पादन

अवधारणा का प्रमाण पूरा होने के बाद, मानक अर्धचालक एकीकृत परिपथ निर्माण विधिों का उपयोग करके प्रयोगशाला-पैमाने पर सिलिकॉन वेफर्स का निर्माण किया गया। ई-बीम लिथोग्राफी का उपयोग लूप ऐन्टेना धातु संरचनाओं के सरणियों को गढ़ने के लिए किया गया था। ऑप्टिकल एंटीना में तीन मुख्य भाग: ग्राउंड प्लेन, ऑप्टिकल अनुनाद गुहा और एंटीना होते हैं। ऐन्टेना विद्युत चुम्बकीय तरंग को अवशोषित करता है, ग्राउंड प्लेन ऐन्टेना की ओर प्रकाश को वापस परावर्तित करने के लिए कार्य करता है, और ऑप्टिकल अनुनाद गुहा झुकता है और प्रकाश को ग्राउंड प्लेन के माध्यम से ऐन्टेना की ओर वापस केंद्रित करता है।[5] इस कार्य में डायोड का उत्पादन सम्मिलित नहीं था।

लिथोग्राफी विधि

इडाहो राष्ट्रीय प्रयोगशाला ने अपने ऑप्टिकल एंटीना सरणी बनाने के लिए निम्न चरणों का उपयोग किया। धात्विक ग्राउंड प्लेन को नंगे सिलिकॉन वेफर पर जमा किया गया था, उसके बाद स्पटर जमा अनाकार सिलिकॉन परत। जमा परत की गहराई लगभग चौथाई तरंग दैर्ध्य थी। ऐन्टेना के रूप में कार्य करने के लिए सोने की आवृत्ति चयनात्मक सतह (वांछित आवृत्ति को फ़िल्टर करने के लिए) के साथ पतली मैंगनीज फिल्म जमा की गई थी। प्रतिरोध प्रयुक्त किया गया था और इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी के माध्यम से प्रतिरूपित किया गया था। सोने की फिल्म को श्रेष्ठ रूप से उकेरा गया था और प्रतिरोध को हटा दिया गया था।

रोल-टू-रोल निर्माण

बड़े पैमाने पर उत्पादन करने के लिए, इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी के उपयोग जैसे प्रयोगशाला प्रसंस्करण कदम धीमे और मूल्यवान हैं। इसलिए, मास्टर प्रारूप के आधार पर नई निर्माण विधि का उपयोग करके रोल-टू-रोल प्रसंस्करण निर्माण विधि तैयार की गई थी। यह मास्टर प्रारूप यांत्रिक रूप से त्रुटिहीन प्रारूप को सस्ती लचीली सब्सट्रेट पर मुहर लगाता है और इस प्रकार प्रयोगशाला प्रसंस्करण चरणों में देखा जाने वाला धातु पाश तत्व बनाता है। इडाहो राष्ट्रीय प्रयोगशाला द्वारा तैयार किए गए मास्टर टेम्प्लेट में 8 इंच के गोल सिलिकॉन वेफर पर लगभग 10 बिलियन एंटीना तत्व होते हैं। इस अर्ध-स्वचालित प्रक्रिया का उपयोग करते हुए, इडाहो राष्ट्रीय प्रयोगशाला ने कई 4-इंच वर्ग कूपन (सामग्री विज्ञान) का उत्पादन किया है। इन कूपनों को ऐन्टेना सरणियों की विस्तृत लचीली शीट बनाने के लिए संयोजित किया गया था। इस कार्य में डायोड घटक का उत्पादन सम्मिलित नहीं था।

परमाणु परत जमाव

कनेक्टिकट विश्वविद्यालय के शोधकर्ता चयनात्मक क्षेत्र परमाणु परत जमाव नामक विधि का उपयोग कर रहे हैं जो उन्हें मज़बूती से और औद्योगिक पैमाने पर उत्पादन करने में सक्षम है।[12] दृश्य और अवरक्त प्रकाश के लिए इष्टतम आवृत्तियों के लिए उन्हें ट्यून करने के लिए अनुसंधान जारी है।

ऑप्टिकल एंटेना का अर्थशास्त्र

ऑप्टिकल एंटेना (अपने आप में, महत्वपूर्ण डायोड और अन्य घटकों को छोड़कर) फोटोवोल्टिक (यदि दक्षता को नजरअंदाज कर दिया जाता है) से सस्ता है। जबकि फोटोवोल्टिक की सामग्री और प्रसंस्करण महंगा है (वर्तमान में पूर्ण फोटोवोल्टिक मॉड्यूल की निवेश 2011 में 430 यूएसडी / मी2 के क्रम में है और घट रही है।[13]) स्टीवन नोवाक का अनुमान है कि एंटीना सामग्री की वर्तमान निवेश लगभग 5 - 11 USD / m2 2008 में है।[14] उचित प्रसंस्करण विधिों और विभिन्न सामग्रियों के चयन के साथ, उनका अनुमान है कि प्रसंस्करण की समग्र निवेश, बार ठीक से बढ़ाए जाने पर, अधिक निवेश नहीं आएगी। उनका प्रोटोटाइप ए था 30 x 61 cm प्लास्टिक का था जिसमें 2008 में केवल 0.60 यूएसडी सोना था, जिसमें, एल्युमीनियम, तांबा, या चांदी जैसी सामग्री के उन्नयन करने की संभावना थी।[15] प्रोटोटाइप ने परिचित प्रसंस्करण विधिों के कारण सिलिकॉन सब्सट्रेट का उपयोग किया, किन्तु किसी भी सब्सट्रेट को सैद्धांतिक रूप से तब तक प्रयोग किया जा सकता है जब तक ग्राउंड प्लेन सामग्री ठीक से पालन करती है।

भविष्य अनुसंधान और लक्ष्य

राष्ट्रीय पब्लिक रेडियो के टॉक ऑफ़ द नेशन पर साक्षात्कार में, डॉ. नोवाक ने प्रमाणित किया कि दिन ऑप्टिकल रेक्टेना का उपयोग कारों को चलाने, सेल फोन चार्ज करने और यहां तक ​​कि ठंडे घरों में भी किया जा सकता है। नोवाक ने प्रमाणित किया कि इनमें से अंतिम कमरे में उपलब्ध अवरक्त विकिरण गर्मी को अवशोषित करके और विद्युत उत्पन्न करके काम करेगा जिसका उपयोग कमरे को और ठंडा करने के लिए किया जा सकता है। (अन्य वैज्ञानिकों ने यह कहते हुए इस पर विवाद किया है कि यह ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम का उल्लंघन करता है।[16][17])

डायोड में सुधार महत्वपूर्ण चुनौती है। दो चुनौतीपूर्ण आवश्यकताएँ हैं: गति और अरैखिकता। सबसे पहले, डायोड में दृश्य प्रकाश को ठीक करने के लिए पर्याप्त गति होनी चाहिए। दूसरा, जब तक आने वाली रोशनी अत्यधिक तीव्र न हो, रिवर्स-बायस रिसाव से बचने के लिए डायोड को अत्यधिक गैर-रैखिक (रिवर्स धारा की तुलना में बहुत अधिक आगे की धारा) होना चाहिए। सौर ऊर्जा संग्रह के लिए आकलन में पाया गया कि, उच्च दक्षता प्राप्त करने के लिए, डायोड को 1V रिवर्स बायस पर 1μA से बहुत कम (अंधेरे) वर्तमान की आवश्यकता होगी।[18] इस आकलन ने (आशावादी रूप से) मान लिया कि ऐन्टेना ऐन्टेना सरणी (विद्युत चुम्बकीय) है जो सीधे सूर्य की ओर संकेत करती है; रेक्टेना जो पूरे आकाश से प्रकाश एकत्र करता है, जैसे कि विशिष्ट सिलिकॉन सौर सेल करता है, परिमाण के क्रम से रिवर्स-बायस धारा को और भी कम करने की आवश्यकता होगी। (डायोड को साथ उच्च अग्र-पूर्वाग्रह धारा की आवश्यकता होती है, जो ऐन्टेना से प्रतिबाधा-मिलान से संबंधित है।)

उच्च गति के लिए विशेष डायोड हैं (उदाहरण के लिए, ऊपर चर्चा की गई धातु-इन्सुलेटर-मेटल टनल डायोड), और उच्च अरैखिकता के लिए विशेष डायोड हैं, किन्तु डायोड को ढूंढना अधिक जटिल है जो ही बार में दोनों स्थितियों में उत्कृष्ट हो।

कार्बन नैनोट्यूब-आधारित रेक्टेना की दक्षता में सुधार करने के लिए:

  • कम काम का कार्य : डायोड एसिमेट्री को अधिकतम करने के लिए एमडब्ल्यूसीएनटी के बीच बड़े वर्क फलन (डब्लूएफ) अंतर की आवश्यकता होती है, जो फोटोरेस्पॉन्स को प्रेरित करने के लिए आवश्यक टर्न-ऑन वोल्टेज को कम करता है। कार्बन नैनोट्यूब का डब्लूएफ 5 eV है और कैल्शियम की शीर्ष परत का डब्लूएफ 2.9 eV है, जो एमआईएम डायोड के लिए 2.1 eV का कुल कार्य कार्य अंतर देता है।
  • उच्च पारदर्शिता: आदर्श रूप से, शीर्ष इलेक्ट्रोड परतें आने वाली रोशनी को एमडब्ल्यूसीएनटी एंटीना तक पहुंचने की अनुमति देने के लिए पारदर्शी होनी चाहिए।
  • कम विद्युत प्रतिरोध: उपकरण चालकता में सुधार से संशोधित विद्युत उत्पादन में वृद्धि होती है। किन्तु उपकरण के प्रदर्शन पर प्रतिरोध के अन्य प्रभाव भी हैं। ऐन्टेना और डायोड के बीच आदर्श प्रतिबाधा मिलान संशोधित शक्ति को बढ़ाता है। संरचना के प्रतिरोध को कम करने से डायोड कटऑफ आवृत्ति भी बढ़ जाती है, जो बदले में प्रकाश की सुधारित आवृत्तियों के प्रभावी बैंडविड्थ को बढ़ाती है। शीर्ष परत में कैल्शियम का उपयोग करने का वर्तमान प्रयास कैल्शियम के तेजी से ऑक्सीकरण के कारण उच्च प्रतिरोध का परिणाम है।

शोधकर्ताओं को वर्तमान में रेक्टीफायर बनाने की उम्मीद है जो एंटीना के लगभग 50% अवशोषण को ऊर्जा में परिवर्तित कर सकता है।[14] अनुसंधान का और ध्यान इस बात पर होगा कि बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए प्रक्रिया को ठीक से कैसे बढ़ाया जाए। नई सामग्रियों को चुनने और परीक्षण करने की आवश्यकता होगी जो रोल-टू-रोल निर्माण प्रक्रिया का आसानी से पालन करेंगे। भविष्य के लक्ष्य लचीले सौर सेल बनाने के लिए लचीले सबस्ट्रेट्स पर उपकरणों के निर्माण का प्रयास करना होता है।

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ Moddel, Garret; Grover, Sachit (2013). Garret Moddel; Sachit Grover (eds.). रेक्टेना सोलर सेल. ISBN 978-1-4614-3716-1.
  2. ↑ Corkish, R; M.A Green; T Puzzer (December 2002). "एंटेना द्वारा सौर ऊर्जा संग्रह". Solar Energy. 73 (6): 395–401. Bibcode:2002SoEn...73..395C. doi:10.1016/S0038-092X(03)00033-1. hdl:1959.4/40066. ISSN 0038-092X.
  3. ↑ http://www.mat.ucsb.edu/~g.legrady/academic/courses/13f254/lexicon.html
  4. ↑ Awad, Ehab (21 August 2019). "ब्रॉडबैंड ध्रुवीकरण-असंवेदनशील और उन्नत इन्फ्रारेड पहचान के लिए नैनो-प्लास्मोनिक बंड ऑप्टेना". Scientific Reports (in English). 9 (1): 12197. Bibcode:2019NatSR...912197A. doi:10.1038/s41598-019-48648-6. ISSN 2045-2322. PMC 6704059. PMID 31434970.
  5. ↑ 5.0 5.1 5.2 5.3 Dale K. Kotter; Steven D. Novack; W. Dennis Slafer; Patrick Pinhero (August 2008). Solar Nantenna Electromagnetic Collectors (PDF). 2nd International Conference on Energy Sustainability. INL/CON-08-13925. Archived from the original (PDF) on 11 August 2016. Retrieved 12 June 2016.
  6. ↑ 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 Berland, B. "Photovoltaic Technologies Beyond the Horizon: Optical Rectenna Solar Cell." National Renewable Energy Laboratory. National Renewable Energy Laboratory. 13 Apr. 2009 <http://www.nrel.gov/docs/fy03osti/33263.pdf>.
  7. ↑ Heiblum, M.; Shihyuan Wang; Whinnery, John R.; Gustafson, T. (March 1978). "डीसी और ऑप्टिकल आवृत्तियों पर एकीकृत एमओएम जंक्शनों के लक्षण". IEEE Journal of Quantum Electronics. 14 (3): 159–169. Bibcode:1978IJQE...14..159H. doi:10.1109/JQE.1978.1069765. ISSN 0018-9197. S2CID 21688285.
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  12. ↑ "यूकोन प्रोफेसर की पेटेंट तकनीक नई सौर ऊर्जा प्रौद्योगिकी की कुंजी". University of Connecticut. 4 February 2013. Retrieved 22 April 2013.
  13. ↑ Solarbuzz PV module pricing survey, May 2011 <http://solarbuzz.com/facts-and-figures/retail-price-environment/module-prices>
  14. ↑ 14.0 14.1 "Nanoheating", Talk of the Nation. National Public Radio. 22 Aug. 2008. Transcript. NPR. 15 Feb. 2009.
  15. ↑ Green, Hank. "Nano-Antennas for Solar, Lighting, and Climate Control Archived 2009-04-22 at the Wayback Machine", Ecogeek. 7 Feb. 2008. 15 Feb. 2009. Interview with Dr. Novack.
  16. ↑ Moddel, Garret (2013). "Will रेक्टेना सोलर सेलBe Practical?". In Garret Moddel; Sachit Grover (eds.). रेक्टेना सोलर सेल. Springer New York. pp. 3–24. doi:10.1007/978-1-4614-3716-1_1. ISBN 978-1-4614-3715-4. Quote: "There has been some discussion in the literature of using infrared rectennas to harvest heat radiated from the earth’s surface. This cannot be accomplished with ambient-temperature solar cells due to the second law of thermodynamics" (page 18)
  17. ↑ S.J. Byrnes; R. Blanchard; F. Capasso (2014). "पृथ्वी के मध्य-अवरक्त उत्सर्जन से नवीकरणीय ऊर्जा का संचयन" (PDF). PNAS. 111 (11): 3927–3932. Bibcode:2014PNAS..111.3927B. doi:10.1073/pnas.1402036111. PMC 3964088. PMID 24591604. Quote: "...there have also been occasional suggestions in the literature to use rectennas or other devices to harvest energy from LWIR radiation (20-23). However, these analyses have neglected the thermal fluctuations of the diode, as discussed below and in ref. 12, which leads to the absurd conclusion that a room-temperature device can generate useful power from collecting the ambient radiation from room-temperature objects."
  18. ↑ Rectenna Solar Cells, ed. Moddel and Grover, page 10


बाहरी संबंध

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