(Phys.org) - Een nieuwe fabricagetechniek ontwikkeld door UConn-professor in engineering, Brian Willis, zou de baanbrekende technologie kunnen bieden waarnaar wetenschappers op zoek waren om de huidige zonne-energiesystemen enorm te verbeteren.

Voor jaren, wetenschappers hebben de potentiële voordelen bestudeerd van een nieuwe tak van zonne-energietechnologie die vertrouwt op ongelooflijk kleine antenne-arrays van nanoformaat die theoretisch in staat zijn om meer dan 70 procent van de elektromagnetische straling van de zon te oogsten en deze tegelijkertijd om te zetten in bruikbare elektrische energie.

De technologie zou een enorme verbetering zijn ten opzichte van de siliciumzonnepanelen die tegenwoordig wijdverbreid worden gebruikt. Zelfs de beste siliciumpanelen vangen slechts ongeveer 20 procent van de beschikbare zonnestraling op, en er zijn aparte mechanismen nodig om de opgeslagen energie om te zetten in bruikbare elektriciteit voor het commerciële elektriciteitsnet. De beperkte efficiëntie en dure ontwikkelingskosten van de panelen zijn twee van de grootste belemmeringen geweest voor de wijdverbreide acceptatie van zonne-energie als een praktische vervanging voor traditionele fossiele brandstoffen.

Maar hoewel antennes van nanoformaat in theorie veelbelovend zijn, wetenschappers hebben niet de technologie gehad die nodig is om ze te bouwen en te testen. Het fabricageproces is enorm uitdagend. De nano-antennes - bekend als "rectennes" vanwege hun vermogen om zowel zonne-energie te absorberen als te corrigeren van wisselstroom naar gelijkstroom - moeten in staat zijn te werken met de snelheid van zichtbaar licht en zo gebouwd zijn dat hun kernpaar van elektroden is slechts 1 of 2 nanometer uit elkaar, een afstand van ongeveer een miljoenste van een millimeter, of 30, 000 keer kleiner dan de diameter van mensenhaar.

De potentiële doorbraak ligt in een nieuw fabricageproces genaamd Selective Area Atomaire Laag Depositie (ALD), dat is ontwikkeld door Willis, een universitair hoofddocent chemische, materialen, en biomoleculaire engineering en de vorige directeur van UConn's Chemical Engineering Program. Willis kwam in 2008 bij UConn als onderdeel van een vooraanstaande wervingsinitiatief voor docenten die een eliteteam van leiders op het gebied van duurzame energietechnologie naar de universiteit bracht. Willis ontwikkelde het ALD-proces terwijl hij doceerde aan de Universiteit van Delaware, en patenteerde de techniek in 2011.

Het is door atomaire laagafzetting dat wetenschappers eindelijk een werkend rectenna-apparaat kunnen fabriceren. In een rectenna-apparaat, een van de twee interne elektroden moet een scherpe punt hebben, vergelijkbaar met de punt van een driehoek. Het geheim is om de punt van die elektrode binnen een of twee nanometer van de tegenoverliggende elektrode te krijgen, iets wat lijkt op het vasthouden van de punt van een naald op het vlak van een muur. Voor de komst van ALD, bestaande lithografische fabricagetechnieken waren niet in staat geweest om zo'n kleine ruimte binnen een werkende elektrische diode te creëren. Met behulp van geavanceerde elektronische apparatuur zoals elektronenkanonnen, de dichtstbijzijnde wetenschappers konden krijgen was ongeveer 10 keer de vereiste scheiding. Door atomaire laagafzetting, Willis heeft laten zien dat hij in staat is om de punt van de rectenna nauwkeurig te coaten met lagen van individuele koperatomen totdat een opening van ongeveer 1,5 nanometer is bereikt. Het proces is zelfbeperkend en stopt bij 1,5 nanometer scheiding.

De grootte van de opening is van cruciaal belang omdat het een ultrasnelle tunnelovergang creëert tussen de twee elektroden van de rectenna, waardoor een maximale overdracht van elektriciteit mogelijk is. De opening van nanoformaat geeft bekrachtigde elektronen op de rectenna net genoeg tijd om naar de tegenovergestelde elektrode te tunnelen voordat hun elektrische stroom omkeert en ze proberen terug te gaan. De driehoekige punt van de rectenna maakt het moeilijk voor de elektronen om van richting te veranderen, waardoor de energie wordt opgevangen en omgezet in een unidirectionele stroom.

Indrukwekkend, de rectenna's, vanwege hun ongelooflijk kleine en snelle tunneldiodes, zijn in staat zonnestraling in het infrarode gebied om te zetten via de extreem snelle en korte golflengten van zichtbaar licht - iets wat nog nooit eerder is gelukt. Silicium zonnepanelen, ter vergelijking, hebben een enkele band gap die, globaal gezegd, stelt het paneel in staat om elektromagnetische straling efficiënt om te zetten in slechts een klein deel van het zonnespectrum. De rectenna-apparaten vertrouwen niet op een band gap en kunnen worden afgestemd om licht over het hele zonnespectrum te oogsten, maximale efficiëntie creëren.

De federale regering heeft kennis genomen van het werk van Willis. Willis en een team van wetenschappers van Penn State Altoona samen met SciTech Associates Holdings Inc., een particulier onderzoeks- en ontwikkelingsbedrijf gevestigd in State College, Vader., ontving onlangs een $ 650, 000, driejarige subsidie ​​van de National Science Foundation om rectenna's te fabriceren en te zoeken naar manieren om hun prestaties te maximaliseren.

"Deze nieuwe technologie kan ons over de drempel helpen en zonne-energie kostenconcurrerend maken met fossiele brandstoffen, ", zegt Willis. "Dit is een gloednieuwe technologie, een geheel nieuwe gedachtegang."

Het onderzoeksteam van Penn State Altoona - dat al meer dan tien jaar de theoretische kant van rectenna's onderzoekt - wordt geleid door natuurkundeprofessor Darin Zimmerman, met collega-hoogleraren natuurkunde Gary Weisel en Brock Weiss die als co-onderzoekers dienen. De samenwerking omvat ook Penn State emeritus natuurkunde professoren Paul Cutler en Nicholas Miskovsky, die hoofdleden zijn van Scitech Associates.

"Het conversieapparaat voor zonne-energie dat wordt ontwikkeld door deze samenwerking van twee universiteiten en een onderaannemer in de industrie, heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de groene zonne-energietechnologie door de efficiëntie te verhogen, kosten verlagen, en het bieden van nieuwe economische kansen, ' Zegt Zimmermann.

"Tot de komst van selectieve atoomlaagafzetting (ALD), het is niet mogelijk geweest om praktische en reproduceerbare rectenna-arrays te fabriceren die zonne-energie van het infrarood via het zichtbare, ", zegt Zimmerman. "ALD is een uiterst belangrijke verwerkingsstap, het maken van deze apparaten mogelijk maken. uiteindelijk, de fabricage, karakteriseren, en modellering van de voorgestelde rectenna-arrays zal leiden tot een beter begrip van de fysieke processen die aan deze apparaten ten grondslag liggen, met de belofte om de efficiëntie van de conversietechnologie voor zonne-energie aanzienlijk te verhogen."

Het afzettingsproces van de atomaire laag wordt door de wetenschap en de industrie geprefereerd omdat het eenvoudig is, gemakkelijk reproduceerbaar, en schaalbaar voor massaproductie. Willis zegt dat het chemische proces al wordt gebruikt door bedrijven zoals Intel voor micro-elektronica, en is met name toepasbaar voor nauwkeurige, homogene coatings voor nanostructuren, nanodraden, nanobuisjes, en voor gebruik in de volgende generatie hoogwaardige halfgeleiders en transistors.

Willis zegt dat de methode die wordt gebruikt om rectenna's te vervaardigen, ook op andere gebieden kan worden toegepast, inclusief het verbeteren van de huidige fotovoltaïsche energie (de omzetting van foto-energie in elektrische energie), thermo-elektriciteit, infrarood detectie en beeldvorming, en chemische sensoren.

Een startsubsidie ​​uit 2011 van UConn's Center for Clean Energy Engineering stelde Willis in staat om een ​​prototype rectenna te fabriceren en voorlopige gegevens te verzamelen met behulp van ALD die behulpzaam waren bij het verkrijgen van de NSF-subsidie, zegt Willis.

In het komende jaar, Willis en zijn medewerkers in Pennsylvania zijn van plan om prototypen van rectenna's te bouwen en hun efficiëntie te testen. Willis vergelijkt het proces met het afstemmen op een zender op een radio.

"We hebben al een eerste versie van het apparaat gemaakt, "zegt Willis. "Nu zoeken we naar manieren om de rectenna aan te passen, zodat deze beter op frequenties afstemt. Ik vergelijk het met de tijd dat televisies voor ontvangst afhankelijk waren van konijnenoorantennes. Alles was een statische waas totdat je de antenne bewoog en de geest van een afbeelding zag. Daarna bleef je het bewegen totdat het beeld duidelijker was. Dat is wat we zoeken, die geest van een beeld. Als we dat eenmaal hebben, we kunnen eraan werken om het robuuster en herhaalbaar te maken."

Willis zegt dat het vinden van dat magische punt waar een rectenna maximale zonne-energie oppikt en deze omzet in elektrische stroom, het knallen van champagne zal zijn, "ah-ha" moment van het project.

"Om de frequenties van zichtbaar licht vast te leggen, de rectenna moet kleiner worden dan alles wat we ooit eerder hebben gemaakt, dus we zoeken echt de grenzen op van wat we kunnen doen, " zegt Willis. "En de tunnelknooppunten moeten werken met de snelheid van zichtbaar licht, dus we duwen naar deze echt hoge snelheden tot het punt waarop de vraag wordt 'Kunnen deze apparaten echt op dit niveau functioneren?' Theoretisch weten we dat het mogelijk is, maar we zullen het pas zeker weten als we dit apparaat hebben gemaakt en getest."