Hoy en día
debido al calentamiento global, se pretende hacer uso de nuevas
fuentes de energía como lo es la energía solar. La energía solar
puede ser aprovechada por medio de dispositivos sensores que la
capten y la conviertan en electricidad. En el presente trabajo se
propone le uso de antenas litográficas acopladas a diodos
metal-oxido-metal (MOM) como sensores de radiación solar, esto con
el fin de construir un arreglo de dichos sensores, que conectados a
una circuitería eléctrica adicional sirvan como cargadores de
baterías de dispositivos móviles en lugares donde no haya
electricidad, o bien se quiera evitar el uso de fuentes de energía
basadas en combustibles fósiles y así contribuir a evitar el
calentamiento global del planeta. Este proyecto fue parte de una
investigación en la que se pretende llegara hasta la fabricación de
los dispositivos y que por ahora solo contempla la simulación
electromagnética de las antenas acopladas a diodos MOM mediante el
método del elemento finito, método numérico en el cual el software
COMSOL Multiphysics está basado. Los resultados de las simulaciones
computacionales permitirán seleccionar la estructura de antena que
muestre mejor desempeño como captadora de energía solar al ser
acoplada a un diodo MOM.
Para
llevar a cabo las simulaciones es necesario especificar los
parámetros de las antenas: se parte de su geometría, es decir se
dibuja el sistema a simular con una herramienta que COMSOL incluye,
aunque también ofrece la posibilidad de importar diseños hechos en
otro sofware de diseño asistido por computadora. Con el dibujo se
define su ubicación espacial. Los materiales de los que está hecho
el sistema a simular, en este caso la antena acoplada al diodo MOM,
las condiciones de frontera, las fuentes, el rango de frecuencias de
operación, la discretización de los subdominios, la variante del
método de solución, etc, son aspectos importantes en la
configuración de la simulación en COMSOL. Para los materiales de
los que está hecha la antena y el diodo MOM que se simularon, se
consideraron valores como: la conductividad, el índice de refracción
de cada uno de los metales propuestos para construir las antenas
(oro, plata, cobre, platino y aluminio), datos que fueron extraídos
del sitio http://refractiveindex.info
y de manera experimental mediante un Elipsometro Espectroscópico de
Ángulo Variable, esta información permitió acercar las
simulaciones a la realidad lo más posible ya que se incluyeron datos
de materiales reales. Las antenas que se
consideraron fueron dipolos como se muestra en la figura 1, una
antena en modo recepción formada por dos brazos metálicos
conectados a una línea de transmisión, misma que es conectada al
diodo MOM.
Figura
1. Antena
tipo Dipolo
Como se mencionó anteriormente se
llevaron a cabo simulaciones de antenas de distintos materiales
acopladas a diodos MOM, esto con el fin de saber a qué frecuencias
se capta mayor cantidad de energía proveniente del Sol. Para tal fin
se procedió al cálculo de la corriente eléctrica en la antena
mediante la Ley de Ampere, es decir se integro alrededor de la antena
el campo magnético, lo que nos dio una grafica de la respuesta en
frecuencia para corriente, la cual al ser interpretada se puede
concluir que a las frecuencias donde la corriente eléctrica es más
intensa, la antena es mejor captadora de energía solar (resuena). La
figura 2 muestra la respuesta en frecuencia de intensidad de
corriente eléctrica para una antena dipolo de oro acoplada a un
diodo MOM de longitud L=1µm situada en el espacio libre. La gráfica
presenta dos máximos en la región de frecuencias a la que se
hicieron las simulaciones, máximos que se interpretan como la
resonancia principal de la antena (L=λ/2) en 83.232 THz o 3.6 µm y
la secundaria (L=3λ/2) en 241.41 THz o 1.24 µm. Éstas frecuencias
y longitudes de onda detectadas por la antena concuerdan con la
aplicación de la Ley de Planck al Sol con una temperatura
superficial de unos 6000K que indica que el 99% de la radiación
emitida está entre las longitudes de onda de 0.15 µm a 4 µm. Se
pudo observar buen comportamiento satisfactorio para antenas dipolo
hechas de oro.
Figura 2. Respuesta
en frecuencia
