Patenteret teknik nøglen til ny solenergiteknologi

(Phys.org) – En ny fremstillingsteknik udviklet af UConn ingeniørprofessor Brian Willis kunne give den banebrydende teknologi, videnskabsmænd har ledt efter for at forbedre nutidens solenergisystemer.

Årevis, forskere har undersøgt de potentielle fordele ved en ny gren af ​​solenergiteknologi, der er afhængig af utroligt små nanoserede antennearays, der teoretisk set er i stand til at høste mere end 70 procent af solens elektromagnetiske stråling og samtidig konvertere den til brugbar elektrisk strøm.

Teknologien ville være en stor forbedring i forhold til silicium solpaneler, der er udbredt i dag. Selv de bedste siliciumpaneler samler kun omkring 20 procent af tilgængelig solstråling, og separate mekanismer er nødvendige for at omdanne den lagrede energi til brugbar elektricitet til det kommercielle elnet. Panelernes begrænsede effektivitet og dyre udviklingsomkostninger har været to af de største barrierer for den udbredte anvendelse af solenergi som en praktisk erstatning for traditionelle fossile brændstoffer.

Men mens nanostørrelsesantenner har vist lovende i teorien, videnskabsmænd har manglet den teknologi, der kræves til at konstruere og teste dem. Fremstillingsprocessen er enormt udfordrende. Nano-antennerne – kendt som "rektenner" på grund af deres evne til både at absorbere og ensrette solenergi fra vekselstrøm til jævnstrøm – skal være i stand til at fungere med det synlige lyss hastighed og være bygget på en sådan måde, at deres kernepar af elektroderne er kun 1 eller 2 nanometer fra hinanden, en afstand på cirka en milliontedel af en millimeter, eller 30, 000 gange mindre end menneskehårets diameter.

Det potentielle gennembrud ligger i en ny fremstillingsproces kaldet selektiv område atomlagdeponering (ALD), der blev udviklet af Willis, lektor i kemi, materialer, og biomolekylær teknik og den tidligere direktør for UConn's Chemical Engineering Program. Willis kom til UConn i 2008 som en del af et eminent fakultetsansættelsesinitiativ, der bragte et elitehold af ledere inden for bæredygtig energiteknologi til universitetet. Willis udviklede ALD-processen, mens han underviste på University of Delaware, og patenterede teknikken i 2011.

Det er gennem atomlagsaflejring, at forskere endelig kan fremstille en fungerende rectenna -enhed. I en rectenna-enhed, den ene af de to indvendige elektroder skal have en skarp spids, ligner punktet i en trekant. Hemmeligheden er at få spidsen af ​​den elektrode inden for en eller to nanometer fra den modsatte elektrode, noget, der ligner at holde spidsen af ​​en nåle til en vægs plan. Før fremkomsten af ​​ALD, eksisterende litografiske fremstillingsteknikker havde ikke været i stand til at skabe så lille et rum i en fungerende elektrisk diode. Brug af sofistikeret elektronisk udstyr såsom elektronkanoner, det nærmeste videnskabsmænd kunne komme var omkring 10 gange den nødvendige adskillelse. Gennem atomlagsaflejring, Willis har vist, at han er i stand til præcist at belægge spidsen af ​​rectennaen med lag af individuelle kobberatomer, indtil der opnås et hul på cirka 1,5 nanometer. Processen er selvbegrænsende og stopper ved 1,5 nanometer adskillelse.

Størrelsen af ​​mellemrummet er kritisk, fordi det skaber en ultrahurtig tunnelforbindelse mellem rektennaens to elektroder, muliggør en maksimal overførsel af elektricitet. Det nanoserede mellemrum giver energiserede elektroner på rectennaen lige nok tid til at tunnelere til den modsatte elektrode, før deres elektriske strøm vender, og de forsøger at gå tilbage. Den trekantede spids af rektenna gør det svært for elektronerne at vende retning, dermed fange energien og rette den til en ensrettet strøm.

Imponerende, rektennerne, på grund af deres utroligt små og hurtige tunneldioder, er i stand til at konvertere solstråling i det infrarøde område gennem de ekstremt hurtige og korte bølgelængder af synligt lys - noget, der aldrig er blevet opnået før. Silicium solpaneler, til sammenligning, har et enkelt båndgab, som løst talt, gør det muligt for panelet at konvertere elektromagnetisk stråling effektivt på kun en lille del af solspektret. Rectenna-enhederne er ikke afhængige af et båndgab og kan være indstillet til at høste lys over hele solspektret, skabe maksimal effektivitet.

Den føderale regering har lagt mærke til Willis' arbejde. Willis og et team af forskere fra Penn State Altoona sammen med SciTech Associates Holdings Inc., et privat forsknings- og udviklingsselskab baseret i State College, Pa., modtog for nylig $650, 000, treårigt tilskud fra National Science Foundation til at fremstille rectennas og søge efter måder at maksimere deres ydeevne.

"Denne nye teknologi kan få os over pukkelen og gøre solenergi omkostningskonkurrencedygtig med fossile brændstoffer, "siger Willis." Dette er helt ny teknologi, et helt nyt tankegang. "

Penn State Altoona -forskergruppen - som har undersøgt den teoretiske side af rektenner i mere end et årti - ledes af fysikprofessor Darin Zimmerman, med andre fysikprofessorer Gary Weisel og Brock Weiss, der fungerer som medforskere. Samarbejdet omfatter også Penn State emeritus fysikprofessorer Paul Cutler og Nicholas Miskovsky, der er hovedmedlemmer i Scitech Associates.

"Solenergikonverteringsenheden under udvikling af dette samarbejde mellem to universiteter og en industriunderleverandør har potentialet til at revolutionere grøn solenergiteknologi ved at øge effektiviteten, reducere omkostninger, og giver nye økonomiske muligheder, " siger Zimmerman.

"Indtil fremkomsten af ​​selektiv atomlagdeponering (ALD), det har ikke været muligt at fremstille praktiske og reproducerbare rektenna-arrays, der kan udnytte solenergi fra det infrarøde gennem det synlige, " siger Zimmerman. "ALD er et meget vigtigt behandlingstrin, gør oprettelsen af ​​disse enheder mulig. Ultimativt, fremstillingen, karakterisering, og modellering af de foreslåede rectenna -arrays vil føre til øget forståelse af de fysiske processer, der ligger til grund for disse enheder, med løfte om i høj grad at øge effektiviteten af ​​solenergi -konverteringsteknologi. "

Atomlagsaflejringsprocessen er begunstiget af videnskab og industri, fordi den er enkel, let reproducerbar, og skalerbar til masseproduktion. Willis siger, at den kemiske proces allerede bruges af virksomheder som Intel til mikroelektronik, og er især anvendelig til præcise, homogene belægninger til nanostrukturer, nanotråde, nanorør, og til brug i den næste generation af højtydende halvledere og transistorer.

Willis siger, at metoden, der bruges til at fremstille rektenner, også kan anvendes på andre områder, herunder forbedring af den nuværende solcelleanlæg (konvertering af fotoenergi til elektrisk energi), termoelektrisk, infrarød sansning og billeddannelse, og kemiske sensorer.

Et frøstipendium fra 2011 fra UConn's Center for Clean Energy Engineering tillod Willis at fremstille en prototype rectenna og indsamle foreløbige data ved hjælp af ALD, der var medvirkende til at sikre NSF -tilskuddet, siger Willis.

I løbet af det næste år, Willis og hans samarbejdspartnere i Pennsylvania planlægger at bygge prototype -rektenner og begynde at teste deres effektivitet. Willis sammenligner processen med at indstille en station på en radio.

"Vi har allerede lavet en første version af enheden, "siger Willis." Nu leder vi efter måder at ændre rectennaen på, så den indstilles bedre til frekvenser. Jeg sammenligner det med de dage, hvor fjernsyn var afhængige af kaninøre-antenner til modtagelse. Alt var en statisk sløring, indtil du flyttede rundt på antennen og så spøgelsen af ​​et billede. Så blev du ved med at flytte rundt på det, indtil billedet var klarere. Det er det, vi leder efter, det spøgelse af et billede. Når vi har det, vi kan arbejde på at gøre det mere robust og gentageligt. "

Willis siger, at det at finde det magiske punkt, hvor en rektenna opfanger maksimal solenergi og korrigerer den til elektrisk strøm, vil være champagnesprængende, "ah-ha" øjeblik af projektet.

"For at fange de synlige lys frekvenser, rectenna skal blive mindre end noget, vi nogensinde har lavet før, så vi skubber virkelig grænserne for, hvad vi kan gøre, " siger Willis. "Og tunnelkrydsene skal fungere med det synlige lyss hastighed, så vi presser ned til disse virkelig høje hastigheder til det punkt, hvor spørgsmålet bliver 'Kan disse enheder virkelig fungere på dette niveau?' Teoretisk ved vi, at det er muligt, men vi ved det ikke med sikkerhed, før vi laver og tester denne enhed."