В течение многих лет ученые изучали потенциальные преимущества новой солнечной технологии получения энергии, которая опирается на невероятно малые наноразмерные антенные решетки, которые теоретически способны собрать более 70 процентов солнечного электромагнитного излучения и одновременно превратить его в полезную электроэнергию. Технология была бы огромным шагом вперед, по сравнению с кремниевой технологией производства солнечных панелей, которая широко используются сегодня.
Даже самые лучшие кремниевые панели способны собрать лишь около 20 процентов солнечной радиации , вместе с отдельными механизмами, необходимыми для преобразования накопленной энергии в электричество для коммерческой энергосистемы. Небольшая эффективность панелей и большие затраты на разработку были двумя из самых больших препятствий на пути широкого внедрения солнечной энергии в качестве практического заменой для традиционных видов ископаемого топлива.
Но в то время наноразмерных антенны показали обещание в теорию, ученые не хватало технологий, необходимых для создания и тестирования их. Процесс изготовления является чрезвычайно сложной задачей. Наноантенны - известные как "rectennas" из-за их способности поглощать и преобразовывать солнечную энергию в постоянный ток - должны были способны работать со скоростью света и построены таким образом, чтобы расстояние между электродами составило лишь 1 или 2 нанометров друг от друга, на расстоянии примерно одной миллионной миллиметра, или в 30000 раз меньше диаметра человеческого волоса.
Потенциальный прорыв заключается в новом способе изготовления так называемых селективных областей атомного осаждения слоев (ALD), который был разработан Уиллис, доцентом кафедры химической, материалов и биомолекулярных техники и предыдущий директор химического программной инженерии UConn.
Уиллис разработал ALD процесса при обучении в университете Делавэра, и запатентовал метод в 2011 году.
Именно с помощью атомного осаждения слоев, что ученые могут, наконец, изготовить рабочее наноантенное (rectenna) устройство . В устройстве наноантенна (rectenna), одна из двух внутренних электродов должна иметь острый кончик, похожий на верштну треугольника. Секрет получения кончика электрода, что в течение одного или двух нанометров противоположного электрода, что-то похожее на проведение точку иглы к плоскости стены. До появления ALD, существующие литографических методов изготовления не смогли создать таком маленьком пространстве больше одного рабочего электрического диода. Использование сложного электронного оборудования, таких как электронные пушки, ученые смогли улучшить примерно в 10 раз точность изготовления электрода. С помощью атомного осаждения слоев (ALD), Уиллис показал, что он способен работать с наноантеннами (rectennas), состоящими из слоев отдельных атомов меди, с зазорами между ними до 1,5 нанометров.
Этот процесс самоограничения и останавливается на уровне 1,5 нанометра разделения. Размер щели имеет решающее значение, поскольку он создает сверхбыстрый туннельного перехода между двумя электродами (rectenna,) позволяя максимальную передачу электроэнергии. Наноразмерных разрыв дает электрону с наноантенны (rectenna) достаточно времени, чтобы попасть в туннель к противоположному электроду, прежде чем электрический ток изменяет, и они пытаются вернуться.
Треугольный кончик наноантенны (rectenna) затрудняет для электронов путь в обратном направлении, таким образом, происходит захват энергии и устранения его однонаправленного тока. Впечатляюще, rectennas, потому что их невероятно маленький и быстрый туннельных диодов, которые способны превращать солнечное излучение в инфракрасной области через очень быстрые и короткие длины волн видимого света - то, что никогда не было сделано раньше.
Кремниевые солнечные панели, для сравнения, имеют одну запрещенную зону которая, грубо говоря, позволяет панели для преобразования электромагнитного излучения эффективно только в одной небольшой части солнечного спектра. Наноантенные (rectenna) устройства не зависят от ширины запрещенной зоны и могут быть настроенs для сбора света по всей солнечного спектра, создавая максимальную эффективность.
"Эта новая технология может сделать солнечную энергию конкурентом ископаемому топливу", говорит Уиллис. "Это новая технология дает совершенно новый ход мысли».
"До появления селективного молекулярного наслаивания (ALD), это не было возможно изготовление практических и воспроизводимые rectenna массивов, которые могут использовать солнечную энергию из инфракрасных через видимый", говорит Циммерман, один из исследователей команды Уиллиса. "ALD является жизненно важной стадии обработки, что делает создание этих устройств возможно. В конечном счете, изготовление, характеристики и моделирование предлагаемых массивов наноантенн приведет к более глубокому пониманию физических процессов, лежащих в основе этих устройств, и обещает значительно увеличить эффективность преобразования солнечной энергии".
Процесс молекулярного наслаивания благоприятствует науки и промышленности, потому что это просто, легко воспроизводимые и масштабируемые для массового производства. Уиллис говорит, что химический процесс уже используется такими компаниями, как Intel для микроэлектроники, и особенно применимо для точного, однородного покрытия для наноструктур, нанопроволок, нанотрубок и для использования в следующем поколении высокопроизводительных полупроводников и транзисторов. Уиллис говорит, что метод, используемый для изготовления наноантенн (rectennas) также могут быть применен в других областях, в том числе термоэлектрических устройствах, инфракрасных датчиков и обработки изображений и химических сенсоров.
В течение этого года, Уиллис и его сотрудников в штате Пенсильвания планирует построить прототип наноантенн (rectennas) и начать тестирование их эффективности. Уиллис сравнивает процесс настройки на станцию на радио. "Мы уже сделали первую версию устройства", говорит Уиллис.
"Сейчас мы ищем способы изменения наноантенны (rectenna) так, чтобы лучше настраиваться на частоту. Я сравниваю это с тем временем, когда телевизорам полагались большие антенны для приема, по сравнению с сегодняшним днем."
|
