هوائي مقوم بصري

الهوائي المقوم الضوئي هو هوائي مقوم يعمل مع الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء. ^{[ 1 ]} يتكون الهوائي المقوم من دائرة كهربائية تحتوي على هوائي وثنائي ، يحول الموجات الكهرومغناطيسية إلى تيار كهربائي مباشر . وبينما تُستخدم الهوائيات المقومية منذ زمن طويل مع موجات الراديو أو الموجات الميكروية ، فإن الهوائي المقوم الضوئي يعمل بنفس الطريقة ولكن مع الأشعة تحت الحمراء أو الضوء المرئي، محولًا إياه إلى كهرباء.

على الرغم من التشابه الجوهري بين هوائيات التقويم التقليدية (الراديو والميكروويف) وهوائيات التقويم الضوئية، إلا أن تصنيع هوائي تقويم ضوئي يُعدّ أكثر صعوبةً من الناحية العملية. يتمثل أحد التحديات في أن الضوء يتميز بتردد عالٍ جدًا - مئات التيراهيرتز للضوء المرئي - بحيث لا تستطيع سوى أنواع قليلة من الثنائيات المتخصصة التبديل بسرعة كافية لتقويمه . كما أن حجم الهوائيات عادةً ما يكون قريبًا من الطول الموجي، مما يجعل تصنيع هوائي ضوئي صغير جدًا عمليةً معقدةً تعتمد على تقنية النانو . أما التحدي الثالث، فيتمثل في أن الهوائي الضوئي، نظرًا لصغر حجمه، يمتص عادةً طاقةً ضئيلةً جدًا، وبالتالي يميل إلى إنتاج جهد ضئيل في الثنائي، مما يؤدي إلى انخفاض اللاخطية في الثنائي، ومن ثم انخفاض الكفاءة. ونتيجةً لهذه التحديات وغيرها، اقتصر استخدام هوائيات التقويم الضوئية حتى الآن على التجارب المخبرية، حيث يتم عادةً استخدام ضوء ليزر مركز مكثف لإنتاج كمية ضئيلة ولكن قابلة للقياس من الطاقة.

مع ذلك، يُؤمل أن تُصبح مصفوفات الهوائيات الضوئية وسيلة فعّالة لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية، مُنتجةً طاقة شمسية بكفاءة أعلى من الخلايا الشمسية التقليدية . وقد طُرحت هذه الفكرة لأول مرة من قِبل روبرت ل. بيلي عام ١٩٧٢. ^{[ ٢ ]} وحتى عام ٢٠١٢، لم يُصنع سوى عدد قليل من أجهزة الهوائيات الضوئية، مما يُثبت فقط إمكانية تحويل الطاقة. ^{[ ٣ ]} ولا يُعرف ما إذا كانت ستُصبح يومًا ما مُجدية اقتصاديًا أو فعّالة مثل الخلايا الكهروضوئية التقليدية .

يُستخدم مصطلح "النانتينا " (النانوتينا النانوية) أحيانًا للإشارة إما إلى هوائي مقوم ضوئي، أو إلى هوائي ضوئي بحد ذاته. ^{[ 4 ]} في عام 2008، أُفيد أن مختبرات أيداهو الوطنية صممت هوائيًا ضوئيًا لامتصاص الأطوال الموجية في نطاق 3-15 ميكرومتر. ^{[ 5 ]} تتوافق هذه الأطوال الموجية مع طاقات الفوتونات من 0.4 إلكترون فولت إلى 0.08 إلكترون فولت . استنادًا إلى نظرية الهوائيات، يمكن للهوائي الضوئي امتصاص أي طول موجي للضوء بكفاءة شريطة أن يكون حجم الهوائي مُحسَّنًا لهذا الطول الموجي المحدد. من الناحية المثالية، تُستخدم الهوائيات لامتصاص الضوء بأطوال موجية تتراوح بين 0.4 و1.6 ميكرومتر لأن هذه الأطوال الموجية لها طاقة أعلى من الأشعة تحت الحمراء البعيدة (أطوال موجية أطول) وتشكل حوالي 85% من طيف الإشعاع الشمسي ^{[ 6 ]} (انظر الشكل 1).

حصل روبرت بيلي، بالاشتراك مع جيمس سي. فليتشر، على براءة اختراع ( US 3760257  ) عام 1973 لجهاز "محول طاقة الموجات الكهرومغناطيسية". كان الجهاز الحاصل على براءة الاختراع مشابهًا لأجهزة الاستقبال الضوئية الحديثة. وتناقش براءة الاختراع استخدام نوع من الصمام الثنائي الموصوف بواسطة [[ علي جافان ] في مجلة IEEE Spectrum، أكتوبر 1971، صفحة 91 ، حيث قام بتوصيل شعيرة  معدنية قطرها 100 نانومتر بسطح معدني مغطى بطبقة رقيقة من الأكسيد. وقد ذُكر أن جافان قام بتقويم ضوء الأشعة تحت الحمراء بتردد 58 تيراهيرتز. في عام 1974، أثبت ت. جوستافسون وزملاؤه أن هذا النوع من الأجهزة يمكنه تقويم حتى الضوء المرئي إلى تيار مستمر ^{[ 7 ]} . حصل ألفين م. ماركس على براءة اختراع في عام 1984 لجهاز ينص صراحةً على استخدام هوائيات دون الميكرون للتحويل المباشر للطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية ^{[ 8 ]} . أظهر جهاز ماركس تحسينات كبيرة في الكفاءة مقارنةً بجهاز بيلي ^{[ 9 ]} . في عام 1996، أبلغ جوانج هـ. لين عن امتصاص ضوئي رنيني بواسطة بنية نانوية مصنعة وتقويم الضوء بترددات في النطاق المرئي ^{[ 9 ]} . في عام 2002، نشرت شركة ITN Energy Systems, Inc. تقريرًا عن عمل فريق ITN على الهوائيات الضوئية المقترنة بثنائيات عالية التردد . سعى الفريق إلى بناء مصفوفة هوائيات مقوّمة ضوئية بكفاءة أحادية الرقم. ورغم عدم نجاحهم، فقد تم فهم المشكلات المرتبطة ببناء هوائيات مقوّمة ضوئية عالية الكفاءة بشكل أفضل. ^{[ 6 ]} 

في عام 2015، طوّر فريق بحث باراتوندي أ. كولا في معهد جورجيا للتكنولوجيا مُجمِّعًا للطاقة الشمسية قادرًا على تحويل الضوء إلى تيار مستمر، وهو عبارة عن مُقوِّم ضوئي يستخدم أنابيب الكربون النانوية. ^{[ 10 ]} تتكون هذه التقنية من مصفوفات رأسية من أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران (MWCNTs) مُنمَّاة على ركائز مطلية بالمعدن، ومُغطاة بطبقة عازلة من أكسيد الألومنيوم، ثم مُغطاة بطبقة من قطب معدني. تعمل الأبعاد الصغيرة للأنابيب النانوية كهوائيات قادرة على التقاط الأطوال الموجية الضوئية. كما تعمل أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران كطبقة من طبقات ثنائي النفق المعدني-العازل-المعدني (MIM) . وبفضل القطر الصغير لأطراف أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران، يُشكِّل هذا المزيج ثنائيًا قادرًا على تقويم الإشعاع الضوئي عالي التردد. تبلغ كفاءة التحويل الإجمالية لهذا الجهاز حوالي 10⁻⁵ ^% . ^{[ 10 ]} ومع ذلك، لا تزال الأبحاث جارية في مجال مُقوِّمات الضوء الضوئية ^. 

تتمثل العيوب الرئيسية لأجهزة تقويم الإشارة المصنوعة من أنابيب الكربون النانوية في عدم استقرارها في الهواء. استخدم تصميم الجهاز الذي نشره كولا في الأصل الكالسيوم كقطب كهربائي علوي شبه شفاف، وذلك لأن دالة الشغل المنخفضة للكالسيوم (2.9 إلكترون فولت) مقارنةً بأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران (حوالي 5 إلكترون فولت) تُحدث عدم تناظر ثنائي ضروري للتقويم الضوئي. مع ذلك، فإن الكالسيوم المعدني غير مستقر للغاية في الهواء ويتأكسد بسرعة. لذا، كان لا بد من إجراء القياسات داخل صندوق القفازات في بيئة خاملة لمنع تعطل الجهاز. وقد حدّ هذا من التطبيقات العملية لهذه الأجهزة.

تغلب كولا وفريقه لاحقًا على تحديات عدم استقرار الجهاز بتعديل بنية الصمام الثنائي باستخدام طبقات متعددة من الأكسيد. وفي عام 2018، أعلنوا عن أول هوائي مقوم ضوئي مستقر في الهواء، إلى جانب تحسينات في الكفاءة.

تم تحقيق استقرار هذا الجيل الجديد من هوائيات التقويم في الهواء من خلال تعديل حاجز النفق الكمومي للثنائي. فبدلاً من استخدام عازل كهربائي واحد، أظهر الباحثون أن استخدام طبقات متعددة من الأكاسيد المختلفة يُحسّن أداء الثنائي عن طريق تعديل حاجز النفق الكمومي. وباستخدام أكاسيد ذات ميول إلكترونية مختلفة، يمكن هندسة نفق الإلكترونات لإنتاج استجابة ثنائية غير متماثلة بغض النظر عن دالة الشغل للقطبين. وباستخدام طبقات من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃ ₎ وأكسيد _{الهافنيوم} ( HfO₂ ₎ ، تم بناء ثنائي عازل مزدوج ( معدن-عازل-عازل-معدن (MIIM))، مما حسّن الاستجابة غير المتماثلة للثنائي بأكثر من عشرة أضعاف دون الحاجة إلى الكالسيوم ذي دالة الشغل المنخفضة، ثم استُبدل المعدن العلوي بالفضة المستقرة في الهواء.

ستركز الجهود المستقبلية على تحسين كفاءة الجهاز من خلال البحث عن مواد بديلة، ومعالجة الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران والطبقات العازلة لتشجيع التوصيل عند الواجهة، وتقليل المقاومات داخل الهيكل.

في عام 2022، قدم برويتي زاكاريا ريمو وزملاؤه في المعهد الإيطالي للتكنولوجيا نهجًا آخر يعتمد على حلٍّ تنازلي، حيث دُمج الهوائي والمقوِّم في حلٍّ واحد قائم على البلازمونيات. ^{[ 11 ]} خضع الهوائي المقوِّم المقترح للاختبار عند طول موجي 1064 نانومتر، بنسختيه المفردة والمصفوفية، محققًا كفاءةً بلغت 10⁻³ ^{% . علاوةً على ذلك، أُجريت تحليلات تجريبية ونظرية عند طول موجي 780 نانومتر، وأظهرت نتائج إيجابية تشير إلى أن الهوائيات المقوِّمة القائمة على}  البلازمونيات قد تُشكِّل نهجًا عمليًا لتحقيق أداء عالٍ في نطاق الضوء المرئي. على الرغم من أن هذا الحل يُمثِّل خطوةً هامةً إلى الأمام، إلا أن هناك العديد من التحديات التي لا تزال قائمةً والتي تمنع الهوائيات المقوِّمة الضوئية من الوصول إلى عتبة الكفاءة البالغة 1% المطلوبة للتطبيقات العملية. تشمل العقبات الرئيسية تحقيق الرنين الضوئي بغض النظر عن ظروف الإشعاع الساقط (مثل زاوية السقوط) وتحسين أداء المقوِّم.

تعتمد نظرية الهوائيات المقوّمة الضوئية على نفس مبدأ عمل الهوائيات التقليدية (الراديو أو الميكروويف) . فعندما يسقط الضوء على الهوائي، تتحرك الإلكترونات فيه ذهابًا وإيابًا بنفس تردد الضوء الساقط. وينتج هذا عن المجال الكهربائي المتذبذب للموجة الكهرومغناطيسية الساقطة. وتُشكّل حركة الإلكترونات تيارًا متناوبًا (AC) في دائرة الهوائي. ولتحويل هذا التيار إلى تيار مستمر (DC)، يجب تقويم التيار المتناوب ، ويتم ذلك عادةً باستخدام ثنائي . ويمكن استخدام التيار المستمر الناتج لتشغيل حمل خارجي. ويتناسب تردد الرنين للهوائيات (التردد الذي يُحقق أقل مقاومة وبالتالي أعلى كفاءة) تناسبًا طرديًا مع أبعاد الهوائي الفيزيائية، وفقًا لنظرية هوائيات الميكروويف البسيطة. ^{[ 6 ]} وتتراوح أطوال الموجات في الطيف الشمسي بين 0.3 و2.0 ميكرومتر تقريبًا. ^{[ 6 ]} وبالتالي، لكي يكون الهوائي المقوم جامعًا كهرومغناطيسيًا فعالًا في الطيف الشمسي، فإنه يحتاج إلى أن يكون في حدود مئات النانومترات في الحجم.

بسبب التبسيطات المستخدمة في نظرية هوائيات التقويم التقليدية، تظهر عدة تعقيدات عند مناقشة هوائيات التقويم الضوئية. عند الترددات الأعلى من الأشعة تحت الحمراء، يمر معظم التيار بالقرب من سطح السلك، مما يقلل من مساحة المقطع العرضي الفعالة للسلك، وبالتالي يزيد المقاومة. يُعرف هذا التأثير أيضًا باسم " تأثير الجلد ". من منظور تصميم الجهاز، تبدو خصائص التيار-الجهد غير أومية، على الرغم من أن قانون أوم، بصيغته المتجهة العامة، لا يزال ساريًا.

من بين تعقيدات تصغير الحجم أن الثنائيات المستخدمة في هوائيات التقويم الكبيرة لا يمكنها العمل بترددات تيراهيرتز دون فقد كبير في الطاقة. ^{[ 5 ]} ويعود هذا الفقد الكبير في الطاقة إلى سعة الوصلة (المعروفة أيضًا بالسعة الطفيلية) الموجودة في ثنائيات الوصلة pn وثنائيات شوتكي، والتي لا تعمل بكفاءة إلا عند ترددات أقل من 5 تيراهيرتز. ^{[ 6 ]}  تتوافق الأطوال الموجية المثالية التي تتراوح بين 0.4 و1.6 ميكرومتر مع ترددات تتراوح تقريبًا بين 190 و750  تيراهيرتز، وهي أعلى بكثير من قدرات الثنائيات التقليدية. لذلك، يلزم استخدام ثنائيات بديلة لتحويل الطاقة بكفاءة. في أجهزة هوائيات التقويم الضوئية الحالية، تُستخدم ثنائيات النفق المعدنية-العازلة-المعدنية (MIM) . وعلى عكس ثنائيات شوتكي، لا تتأثر ثنائيات MIM بالسعات الطفيلية لأنها تعمل على أساس نفق الإلكترونات . ونتيجة لذلك، فقد ثبت أن ثنائيات MIM تعمل بكفاءة عند ترددات تصل إلى حوالي 150 تيراهيرتز . ^{[ 6 ]}

من أبرز المزايا المزعومة للمقومات الضوئية كفاءتها النظرية العالية. فعند مقارنتها بالكفاءة النظرية للخلايا الشمسية أحادية الوصلة (30%)، تبدو المقومات الضوئية متفوقة بشكل ملحوظ. مع ذلك، تُحسب الكفاءتان باستخدام افتراضات مختلفة. وتستند الافتراضات المستخدمة في حساب المقومات الضوئية إلى تطبيق كفاءة كارنو للمجمعات الشمسية. تُعطى كفاءة كارنو ، η، بالعلاقة التالية:

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

حيث T _{_cold} هي درجة حرارة الجسم الأبرد، وT_{_hot} هي درجة حرارة الجسم الأكثر سخونة. ولتحقيق تحويل فعال للطاقة، يجب أن يكون فرق درجة الحرارة بين الجسمين كبيرًا. يدّعي آر. إل. بيلي أن هوائيات التقويم لا تخضع لقيد كفاءة كارنو، بينما تخضع لها الخلايا الكهروضوئية . مع ذلك، لم يُقدّم أي دليل يدعم هذا الادعاء. علاوة على ذلك، عند تطبيق نفس الافتراضات المستخدمة للحصول على الكفاءة النظرية البالغة 85% لهوائيات التقويم على الخلايا الشمسية أحادية الوصلة، فإن الكفاءة النظرية لهذه الخلايا تتجاوز 85% أيضًا.

تتمثل الميزة الأبرز للهوائيات المقوّمة الضوئية مقارنةً بالخلايا الكهروضوئية شبه الموصلة في إمكانية تصميم مصفوفات الهوائيات المقوّمة لامتصاص أي تردد ضوئي. ويمكن تحديد تردد الرنين للهوائي الضوئي بتغيير طوله. وهذه ميزةٌ تفوق الخلايا الكهروضوئية شبه الموصلة، إذ يتطلب امتصاص أطوال موجية مختلفة من الضوء فجوات طاقة مختلفة. ولتغيير فجوة الطاقة، يجب إما مزج أشباه الموصلات أو استخدام أشباه موصلات مختلفة تمامًا. ^{[ 5 ]}

كما ذُكر سابقاً، يُعدّ التردد الذي تعمل عنده الهوائيات المقوّمة الضوئية أحد أبرز عيوبها. فالتردد العالي للضوء ضمن النطاق المثالي للأطوال الموجية يجعل استخدام ثنائيات شوتكي التقليدية غير عملي. ورغم أن ثنائيات MIM تُظهر خصائص واعدة لاستخدامها في الهوائيات المقوّمة الضوئية، إلا أن هناك حاجة إلى مزيد من التطوير للعمل بكفاءة عند الترددات العالية. ^{[ 12 ]}

من عيوب هذه التقنية أن الهوائيات الضوئية الحالية تُصنع باستخدام الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون . هذه العملية بطيئة ومكلفة نسبيًا لعدم إمكانية المعالجة المتوازية باستخدامها. عادةً ما تُستخدم الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون لأغراض البحث فقط، عندما تكون هناك حاجة إلى دقة عالية للغاية لأصغر حجم ممكن (عادةً في حدود النانومترات). مع ذلك، فقد تطورت تقنيات الطباعة الضوئية إلى حدٍّ يسمح بالحصول على أصغر حجم ممكن في حدود عشرات النانومترات، مما يجعل من الممكن إنتاج الهوائيات الضوئية باستخدامها. ^{[ 12 ]}

بعد إتمام إثبات المفهوم، تم تصنيع رقائق السيليكون على نطاق المختبر باستخدام تقنيات تصنيع الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات القياسية. استُخدمت تقنية الطباعة الحجرية الإلكترونية لتصنيع مصفوفات الهياكل المعدنية لهوائيات الحلقة. يتكون الهوائي البصري من ثلاثة أجزاء رئيسية: السطح الأرضي، وتجويف الرنين البصري، والهوائي نفسه. يمتص الهوائي الموجة الكهرومغناطيسية، ويعمل السطح الأرضي على عكس الضوء عائدًا نحو الهوائي، بينما يقوم تجويف الرنين البصري بثني الضوء وتركيزه عائدًا نحو الهوائي عبر السطح الأرضي. ^{[ 5 ]} لم يشمل هذا العمل إنتاج الصمام الثنائي.

Optical antennas (by itself, omitting the crucial diode and other components) are cheaper than photovoltaics (if efficiency is ignored). While materials and processing of photovoltaics are expensive (currently the cost for complete photovoltaic modules is in the order of 430 USD / m² in 2011 and declining.^[14]), Steven Novack estimates the current cost of the antenna material itself as around 5 - 11 USD / m² in 2008.^[15] With proper processing techniques and different material selection, he estimates that the overall cost of processing, once properly scaled up, will not cost much more. His prototype was a 30 x 61 cm of plastic, which contained only 0.60 USD of gold in 2008, with the possibility of downgrading to a material such as aluminum, copper, or silver.^[16] The prototype used a silicon substrate due to familiar processing techniques, but any substrate could theoretically be used as long as the ground plane material adheres properly.

In an interview on National Public Radio's Talk of the Nation, Dr. Novack claimed that optical rectennas could one day be used to power cars, charge cell phones, and even cool homes. Novack claimed the last of these will work by both absorbing the infrared heat available in the room and producing electricity which could be used to further cool the room. (Other scientists have disputed this, saying it would violate the second law of thermodynamics.^[17][18])

Improving the diode is an important challenge. There are two challenging requirements: Speed and nonlinearity. First, the diode must have sufficient speed to rectify visible light. Second, unless the incoming light is extremely intense, the diode needs to be extremely nonlinear (much higher forward current than reverse current), in order to avoid "reverse-bias leakage". An assessment for solar energy collection found that, to get high efficiency, the diode would need a (dark) current much lower than 1μA at 1V reverse bias.^[19] This assessment assumed (optimistically) that the antenna was a directional antenna array pointing directly at the sun; a rectenna that collects light from the whole sky, like a typical silicon solar cell does, would need the reverse-bias current to be even lower still, by orders of magnitude. (The diode simultaneously needs a high forward-bias current, related to impedance-matching to the antenna.)

توجد ثنائيات خاصة للسرعة العالية (مثل ثنائيات النفق المعدنية العازلة المعدنية التي تمت مناقشتها أعلاه)، وهناك ثنائيات خاصة للخطية العالية، ولكن من الصعب للغاية العثور على ثنائي متميز في كلا الجانبين في آن واحد.

لتحسين كفاءة هوائيات الاستقبال القائمة على أنابيب الكربون النانوية:

• انخفاض دالة الشغل : يتطلب تعظيم عدم تناظر الثنائي وجود فرق كبير في دالة الشغل بين أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران، مما يقلل جهد التشغيل اللازم لتحفيز الاستجابة الضوئية. تبلغ دالة الشغل لأنابيب الكربون النانوية 5 إلكترون فولت، بينما تبلغ دالة الشغل للطبقة العلوية من الكالسيوم 2.9 إلكترون فولت، مما يعطي فرقًا إجماليًا في دالة الشغل قدره 2.1 إلكترون فولت لثنائي MIM.
• الشفافية العالية: من الناحية المثالية، يجب أن تكون طبقات الأقطاب الكهربائية العلوية شفافة للسماح للضوء الوارد بالوصول إلى هوائيات الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران.
• مقاومة كهربائية منخفضة: تحسين موصلية الجهاز يزيد من خرج الطاقة المُقوَّمة. لكن للمقاومة تأثيرات أخرى على أداء الجهاز. يُحسِّن التوافق المثالي للممانعة بين الهوائي والدايود الطاقة المُقوَّمة. كما أن خفض مقاومة البنية يزيد من تردد قطع الدايود، مما يُحسِّن بدوره عرض النطاق الترددي الفعال لترددات الضوء المُقوَّمة. أما المحاولة الحالية لاستخدام الكالسيوم في الطبقة العلوية فتؤدي إلى مقاومة عالية بسبب تأكسد الكالسيوم السريع.

يأمل الباحثون حاليًا في ابتكار مُقوِّم قادر على تحويل حوالي 50% من امتصاص الهوائي إلى طاقة. ^{[ 15 ]} وسيركز بحث آخر على كيفية توسيع نطاق العملية بشكل مناسب للإنتاج بكميات كبيرة. وسيتطلب ذلك اختيار مواد جديدة واختبارها بحيث تتوافق بسهولة مع عملية التصنيع المتواصلة. وتتمثل الأهداف المستقبلية في محاولة تصنيع أجهزة على ركائز مرنة لإنتاج خلايا شمسية مرنة.

• هوائي الجرافين
• ثنائي معدني-عازل-معدني
• الليزر النانوي

• الموقع الرسمي لشركة نوفاسوليكس