Ny patenteret fremstillingsteknik nøglen til ny solenergiteknologi

En ny fremstillingsteknik udviklet af en ingeniørprofessor fra University of Connecticut kunne give den banebrydende teknologi, som forskere har ledt efter for at forbedre effektiviteten af ​​nutidens solenergisystemer markant.

Årevis, forskere har undersøgt de potentielle fordele ved en ny gren af ​​solenergiteknologi, der er afhængig af nanostørrelser af antenner, som teoretisk er i stand til at høste mere end 70 procent af solens elektromagnetiske stråling og samtidig konvertere den til brugbar elektrisk kraft.

Men mens antenner i nanostørrelse, der også fungerer som ensrettere, 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 elektroderne er kun 1 eller 2 nanometer fra hinanden, en afstand på cirka en milliontedel millimeter, eller 30, 000 gange mindre end diameteren af ​​menneskehår.

Det potentielle gennembrud ligger i en ny fremstillingsproces kaldet selektiv areal atomlagaflejring (ALD), som blev udviklet af Brian Willis, en lektor i kemisk og biomolekylær teknik ved University of Connecticut og den tidligere direktør for UConns Chemical Engineering Program.

Det er gennem aflejring af atomlag, at forskerne tror, ​​at de endelig kan fremstille en fungerende rektenna-enhed. I en rectenna-enhed, en 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 aflejring af atomlag, Willis har vist, at han er i stand til præcist at belægge spidsen af ​​rectenna med lag af individuelle kobberatomer, indtil et mellemrum på omkring 1,5 nanometer er opnået. 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, tillader en maksimal overførsel af elektricitet. Det nanostørrelsesgab giver strømførende elektroner på rektenna 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 opfanger energien og ensretter den til en ensrettet strøm.

Imponerende nok, rektennerne, på grund af deres ekstremt 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 sagt, 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.

Willis og et team af forskere fra Penn State Altoona sammen med SciTech Associates Holdings Inc., et privat forsknings- og udviklingsselskab med base i State College, Pa., modtog for nylig $650, 000, treårigt tilskud fra National Science Foundation til at fremstille rektenner og søge efter måder at maksimere deres ydeevne på.

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

Forskerholdet i Penn State Altoona – som har udforsket 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, som er hovedmedlemmer af 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 atomlagsdeposition (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 løftet om kraftigt at øge effektiviteten af ​​solenergikonverteringsteknologi."

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

Metoden, der bruges til at fremstille rektenner, kan også anvendes på andre områder, herunder forbedring af nuværende fotovoltaik (konvertering af fotoenergi til elektrisk energi), termoelektrik, infrarød sansning og billeddannelse, og kemiske sensorer.

I løbet af det næste år, Willis og hans samarbejdspartnere i Pennsylvania planlægger at bygge prototype-rektenner og begynde at teste deres effektivitet.

"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."