Polarisation optimisée

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 17525 (2023) Citer cet article

Détails des métriques

Une nouvelle nano-antenne Chand-Bali à réception grand angle, indépendante de la polarisation, est proposée. Un algorithme d'optimisation basé sur l'adjoint est utilisé pour créer la même résonance aux deux polarisations linéaires du rayonnement incident. Les paramètres optimaux de la nano-antenne révèlent que deux points chauds avec une forte amélioration du champ sont créés. Ces points chauds pourraient être intégrés à des diodes métal-isolant-métal (MIM) pour former une rectenne pour la récupération d'énergie infrarouge (IR). Les résonateurs métalliques permettent de sélectionner plusieurs matériaux pour faciliter la fabrication de la nano-antenne et de la diode MIM. Les rectennas IR basées à Chand-Bali sont étudiées et les simulations démontrent une amélioration de plus d'un ordre de grandeur en termes d'efficacité par rapport à celles utilisant des nano-antennes traditionnelles.

Les technologies récentes de récupération d’énergie tentent d’atténuer les effets de décennies d’utilisation de combustibles fossiles sur notre planète pour les générations futures. Ces effets ont stimulé l’exploration de nouvelles ressources énergétiques durables et propres. Les progrès de plus en plus rapides de l’Internet des objets (IoT)1,2 et l’utilisation omniprésente de capteurs et d’appareils intelligents3,4 nécessitent de nouvelles techniques pour les alimenter. L’énergie solaire est considérée comme l’une des ressources abondantes et propres sur terre. Les systèmes photovoltaïques actuels à base de Si absorbent l'énergie des photons dans le domaine visible et la convertissent en tension continue5,6. Plusieurs tentatives innovantes utilisant différents composés semi-conducteurs ont été explorées pour améliorer l'efficacité de conversion des cellules solaires7,8,9,10,11,12. Cependant, près de la moitié du spectre solaire, qui se situe dans la région infrarouge (IR), n’est pas encore pleinement exploitée13. En raison de la théorie de Planck sur le rayonnement du corps noir, tout objet au-dessus du zéro absolu émettra un rayonnement IR à une certaine longueur d'onde correspondant à sa température14. Par conséquent, le rayonnement thermique peut être considéré comme une source d’énergie illimitée s’étendant sur la gamme de longueurs d’onde IR de 1,0 à 10 μm. La longueur d'onde plus longue de 10 μm, qui équivaut à une fréquence de 30 THz, représente le rayonnement IR provenant d'objets à température ambiante.

De nombreuses études ont étudié la possibilité de récupérer de l’énergie autour de cette longueur d’onde de 10 µm15,16,17,18,19,20,21,22. En 1972, un dispositif intelligent appelé rectenna (antenne de redressement) a été proposé pour récupérer l’énergie solaire et la convertir en courant continu23. Cette rectenne (antenne plus redresseur) peut être décrite comme une antenne recevant le rayonnement électromagnétique incident. L'antenne est ensuite connectée à un redresseur qui convertit le courant alternatif capturé en courant continu. Des recherches récentes sur des prototypes de rectenna ont permis d'obtenir des rendements assez élevés > 80 % dans la gamme des micro-ondes24,25,26,27. Cependant, les rectennas équivalentes aux fréquences IR souffrent toujours de performances de rectification insuffisantes17,22. Les performances de la rectenne sont essentiellement mesurées à travers les performances de chaque élément de la rectenne : l'antenne et la diode28. De plus, le couplage entre les deux éléments est considéré comme un paramètre critique pour déterminer l’efficacité totale de la rectenne29. Les ultra-hautes fréquences du rayonnement IR limitent le type de diode pouvant être utilisé30. La vitesse de commutation de la diode dépend du mécanisme de conduction correspondant. Le tunneling27 étant le mécanisme de conduction dominant dans les structures métal-isolant-métal (MIM), les diodes MIM sont considérées comme les meilleures candidates pour fonctionner à ces ultra-hautes fréquences30,31,32. Les diodes MIM sont constituées de deux couches métalliques prenant en sandwich une couche isolante. Cette couche isolante doit être ultra fine, de l’ordre de quelques nanomètres, pour maintenir les performances de commutation rapide. De plus, d’autres facteurs de mérite de la diode sont déterminés à partir de ses caractéristiques courant-tension33. Les mesures de performance les plus importantes sont la résistance et la réactivité de la diode29. La résistance de la diode MIM peut varier de plusieurs centaines à Mega Ohms34. Cette résistance doit correspondre à celle de l'antenne pour permettre un transfert de puissance maximal. La réactivité de la diode, qui est une mesure de la non-linéarité de la diode, détermine la capacité de rectification de la diode MIM34. Plusieurs études et expérimentations ont été réalisées pour améliorer les performances de la diode29. Ces tentatives35,36,37,38,39,40,41,42 consistaient soit à sélectionner différents matériaux, c'est-à-dire des métaux et des isolants, d'épaisseurs différentes, soit à étudier des empilements de plusieurs couches d'isolants. L'objectif principal reste d'adapter le diagramme de bande d'énergie de la diode afin de contrôler ses caractéristiques I-V et, par conséquent, la résistance et la réactivité de la diode. Néanmoins, la fabrication d’une ou plusieurs couches isolantes de quelques nm, uniformes et reproductibles, est un élément crucial pour les performances des diodes MIM16,17. Il a été rapporté que les diodes géométriques basées sur la théorie du transport balistique, telles que les diodes au graphène, atteignaient une capacité plus faible et une efficacité de rectification plus élevée. La fabrication et le fonctionnement sensible à la température font partie des défis auxquels est confrontée cette technologie prometteuse.