[논문 리뷰] Infrared Solar Energy Harvesting using Nano-Rectennas

Islam Sayed|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 06.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 25인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 30 THz에서 적외선 태양 에너지를 수확하기 위해 나노드립올 안테나를 플라스모닉 금속-절연체-금속(MIM) 진행파 전송선로 정류기와 결합한 나노-레크티나 설계를 제안한다. 전이 행렬 방법(TMM)과 비평형 그린 함수(NEGF) 형식을 사용하여, 수직으로 결합된 스트립이 횡방향 구현보다 더 높은 효율을 보임을 입증하였지만, 전체적으로는 MIM 다이오드 성능이 열악하여 레크티나의 전체 효율이 낮다.

ABSTRACT

Rectennas formed from nanodipole antennas terminated by plasmonic metal-insulator-metal (MIM) travelling wave transmission line rectifiers are developed for ambient thermal energy harvesting at 30 THz. The transmission lines are formed from two strips coupled either vertically or laterally. A systematic design approach is presented, that shows how different components can be integrated with each other with maximum radiation receiving nantenna efficiency, maximum coupling efficiency between nantenna and rectifier, and maximum MIM diode rectifier efficiency. The tunneling current of the rectifier is calculated using the transfer matrix method (TMM) and the nonequilibrium Green's function (NEGF). The figures of merit of the rectifier are analyzed, and the effect of the metals and insulator choices on these merits is investigated. A detailed parametric study of the coupled strips plasmonic transmission lines is presented and thoroughly discussed. The overall efficiencies of the proposed travelling wave rectennas are fully expressed and compared. Due to the extremely small spacing between its two strips, the nanodipole terminated by vertical coupled strips plasmonic transmission line offers significantly higher efficiency than that terminated by a lateral coupled strips line. However, the overall efficiency of the vertical coupled strips rectenna is still very low due to the extremely low efficiency of the MIM rectifier.

연구 동기 및 목표

• 30 THz에서 적외선 태양 복사를 수확할 수 있는 나노-레크티나 시스템을 개발하기 위해.
• 최대 에너지 전송 효율을 위해 나노드립올 안테나와 플라스모닉 진행파 전송선로 정류기의 통합을 최적화하기 위해.
• 재료 및 구조 선택을 통해 MIM 다이오드 정류기의 도표 수치를 분석하고 향상시키기 위해.
• 플라스모닉 전송선로에서 수직 및 횡방향 결합 스트립 구성의 성능을 비교하기 위해.

제안 방법

• 적외선 에너지 수확을 위해 플라스모닉 금속-절연체-금속(MIM) 진행파 전송선로로 종료되는 나노드립올 안테나를 설계한다.
• MIM 다이오드 구조를 통과하는 터널링 전류를 계산하기 위해 전이 행렬 방법(TMM)을 적용한다.
• MIM 다이오드 내 전자 이동 및 정류 효율을 모델링하기 위해 비평형 그린 함수(NEGF) 형식을 적용한다.
• 결합된 스트립의 파arametric 분석을 수행하여 전송선로의 결합 효율과 전계 강화를 평가한다.
• 나노안테나의 복사 수신 효율, 나노안테나와 정류기 사이의 결합 효율, MIM 다이오드 정류 효율을 분석한다.
• 전송선로의 수직 및 횡방향 결합 스트립 구성 간 전체 시스템 효율을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결합된 스트립의 기하학적 구조(수직 대 횡방향)가 나노-레크티나 시스템의 플라스모닉 전송선로 효율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 금속 및 절연체 재료 선택이 MIM 다이오드의 도표 수치와 정류 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 나노드립올 안테나의 복사 수신 효율을 정류기와 함께 최대화할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 나노안테나와 정류기 사이의 결합 효율과 MIM 다이오드 효율이 전체 시스템 성능에 어떻게 종합적으로 영향을 미치는가?
• RQ5 최적화된 구성 요소 통합에도 불구하고 제안된 레크티나의 전체 효율이 여전히 낮은 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 플라스모닉 전송선로에서 수직으로 결합된 스트립 구성은 더 작은 스트립 간격과 향상된 전계 결합으로 인해 횡방향 구성보다 유의미하게 높은 효율을 달성한다.
• 전체 나노-레크티나의 효율은 여전히 매우 낮으며, 주로 MIM 다이오드 정류기의 낮은 내재 효율 때문이 다.
• 전이 행렬 방법(TMM)과 비평형 그린 함수(NEGF) 형식은 MIM 구조 내 터널링 전류와 정류를 정확하게 모델링하는 데 유용하다.
• 파arametric 분석은 금속 및 절연체 재료 선택이 MIM 다이오드의 도표 수치와 성능에 크게 영향을 미친다는 것을 확인한다.
• 연구는 복사 수신 효율, 결합 효율, MIM 다이오드 효율을 모두 최대화하는 것이 통합된 나노-레크티나 설계에서 매우 중요하지만 도전적인 과제임을 밝혀냈다.
• 최적화에도 불구하고 시스템의 전체 성능은 적외선 주파수에서 MIM 정류기의 근본적인 비효율성으로 인해 제한된다.