(Phys.org) —En ny tillverkningsteknik utvecklad av UConn ingenjörsprofessor Brian Willis kan ge den banbrytande teknik forskare har letat efter för att väsentligt förbättra dagens solenergisystem.

I åratal, forskare har studerat de potentiella fördelarna med en ny gren av solenergiteknik som bygger på otroligt små nanostora antennuppsättningar som teoretiskt kan skörda mer än 70 procent av solens elektromagnetiska strålning och samtidigt omvandla den till användbar elektrisk kraft.

Tekniken skulle vara en stor förbättring jämfört med kiselsolpanelerna vid utbredd användning idag. Även de bästa kiselpanelerna samlar bara in cirka 20 procent av tillgänglig solstrålning, och separata mekanismer behövs för att omvandla den lagrade energin till användbar el för det kommersiella elnätet. Panelernas begränsade effektivitet och dyra utvecklingskostnader har varit två av de största hindren för den utbredda användningen av solenergi som en praktisk ersättning för traditionella fossila bränslen.

Men medan nanostora antenner har visat lovande i teorin, forskare har saknat den teknik som krävs för att konstruera och testa dem. Tillverkningsprocessen är oerhört utmanande. Nanoantennerna – kända som "rektennerna" på grund av sin förmåga att både absorbera och likrikta solenergi från växelström till likström – måste kunna arbeta med det synliga ljusets hastighet och vara byggda på ett sådant sätt att deras kärnpar elektroderna är bara 1 eller 2 nanometer från varandra, ett avstånd på ungefär en miljondels millimeter, eller 30, 000 gånger mindre än diametern på människohår.

Det potentiella genombrottet ligger i en ny tillverkningsprocess som kallas selektiv area atomic layer deposition (ALD) som utvecklades av Willis, en docent i kemi, material, och biomolekylär ingenjörskonst och den tidigare chefen för UConns Chemical Engineering Program. Willis gick med i UConn 2008 som en del av ett framstående fakultetsanställningsinitiativ som förde ett elitteam av ledare inom hållbar energiteknik till universitetet. Willis utvecklade ALD -processen medan han undervisade vid University of Delaware, och patenterade tekniken 2011.

Det är genom avsättning av atomskikt som forskare äntligen kan tillverka en fungerande rektennaanordning. I en rektennanordning, en av de två inre elektroderna måste ha en vass spets, liknande spetsen i en triangel. Hemligheten är att få spetsen på den elektroden inom en eller två nanometer från den motsatta elektroden, något som liknar att hålla spetsen på en nål mot väggens plan. Före tillkomsten av ALD, befintliga litografiska tillverkningstekniker hade inte kunnat skapa ett så litet utrymme i en fungerande elektrisk diod. Använda sofistikerad elektronisk utrustning som elektronpistoler, det närmaste forskare kunde komma var ungefär 10 gånger den erforderliga separationen. Genom avsättning av atomlager, Willis har visat att han kan exakt belägga spetsen av rektenna med lager av individuella kopparatomer tills ett gap på cirka 1,5 nanometer uppnås. Processen är självbegränsande och stannar vid 1,5 nanometer separation.

Storleken på gapet är kritisk eftersom det skapar en ultrasnabb tunnelövergång mellan rektennans två elektroder, möjliggör maximal överföring av el. Det nanosiserade gapet ger energiserade elektroner på rektenna precis tillräckligt med tid för att tunnla till motsatt elektrod innan deras elektriska ström vänder och de försöker gå tillbaka. Den triangulära spetsen på rektennan gör det svårt för elektronerna att vända riktningen, på så sätt fångar energin och likriktar den till en enkelriktad ström.

Imponerande nog, rektennorna, på grund av deras otroligt små och snabba tunneldioder, är kapabla att omvandla solstrålning i det infraröda området genom de extremt snabba och korta våglängderna av synligt ljus – något som aldrig har åstadkommits tidigare. Silikon solpaneler, i jämförelse, har ett enda bandgap som, löst talat, tillåter panelen att effektivt omvandla elektromagnetisk strålning vid endast en liten del av solspektrumet. Rectenna-enheterna förlitar sig inte på ett bandgap och kan ställas in för att skörda ljus över hela solspektrumet, skapa maximal effektivitet.

Den federala regeringen har noterat Willis arbete. Willis och ett team av forskare från Penn State Altoona tillsammans med SciTech Associates Holdings Inc., ett privat forsknings- och utvecklingsföretag baserat på State College, Pa., fick nyligen $ 650, 000, treårigt anslag från National Science Foundation för att tillverka rektennor och söka efter sätt att maximera deras prestanda.

"Denna nya teknik kan få oss över puckeln och göra solenergi kostnadskonkurrenskraftig med fossila bränslen, " säger Willis. "Det här är helt ny teknik, en helt ny tankebana."

Forskargruppen i Penn State Altoona – som har utforskat den teoretiska sidan av rektennor i mer än ett decennium – leds av fysikprofessor Darin Zimmerman, med andra fysikprofessorer Gary Weisel och Brock Weiss som medforskare. Samarbetet inkluderar även Penn State emeritus fysikprofessorer Paul Cutler och Nicholas Miskovsky, som är huvudmedlemmar i Scitech Associates.

"Solenergiomvandlingsanordningen som utvecklas av detta samarbete mellan två universitet och en industriunderleverantör har potentialen att revolutionera grön solenergiteknik genom att öka effektiviteten, minska kostnaderna, och ger nya ekonomiska möjligheter, " säger Zimmerman.

"Fram till tillkomsten av selektiv atomskiktsdeposition (ALD), det har inte varit möjligt att tillverka praktiska och reproducerbara rektennamatriser som kan utnyttja solenergi från det infraröda genom det synliga, " säger Zimmerman. "ALD är ett mycket viktigt bearbetningssteg, gör det möjligt att skapa dessa enheter. I sista hand, tillverkningen, karakterisering, och modellering av de föreslagna rektennamatriserna kommer att leda till ökad förståelse för de fysiska processerna som ligger bakom dessa enheter, med löfte om att kraftigt öka effektiviteten hos solenergi -konverteringsteknik. "

Processen för avsättning av atomskikt gynnas av vetenskap och industri eftersom den är enkel, lätt reproducerbar, och skalbar för massproduktion. Willis säger att den kemiska processen redan används av företag som Intel för mikroelektronik, och är särskilt användbar för exakta, homogena beläggningar för nanostrukturer, nanotrådar, nanorör, och för användning i nästa generation högpresterande halvledare och transistorer.

Willis säger att metoden som används för att tillverka rektennor också kan tillämpas på andra områden, inklusive förbättring av nuvarande fotovoltaik (omvandling av fotoenergi till elektrisk energi), termoelektriska, infraröd avkänning och bildbehandling, och kemiska sensorer.

Ett fröbidrag från 2011 från UConn's Center for Clean Energy Engineering tillät Willis att tillverka en prototyprektenna och samla in preliminära data med hjälp av ALD som var avgörande för att säkra NSF -bidraget, säger Willis.

Under nästa år, Willis och hans medarbetare i Pennsylvania planerar att bygga prototyper av rektennor och börja testa deras effektivitet. Willis jämför processen med att ställa in en station på en radio.

"Vi har redan gjort en första version av enheten, " säger Willis. "Nu letar vi efter sätt att modifiera rektennan så att den ställs in på frekvenser bättre. Jag jämför det med de dagar då tv-apparater förlitade sig på kaninöronantenner för mottagning. Allt var en statisk oskärpa tills du flyttade runt antennen och såg spöket av en bild. Sedan fortsatte du att flytta runt den tills bilden blev tydligare. Det är det vi letar efter, det där spöket av en bild. När vi väl har det, vi kan arbeta med att göra det mer robust och repeterbart. "

Willis säger att att hitta den magiska punkten där en rektenna plockar upp maximal solenergi och likriktar den till elektrisk kraft kommer att bli champagnepoppande, "ah-ha" ögonblick av projektet.

"För att fånga de synliga ljusfrekvenserna, rektenna måste bli mindre än något vi någonsin har gjort förut, så vi tänjer verkligen på gränserna för vad vi kan göra, "säger Willis." Och tunnelkorsningarna måste fungera med hastigheten av synligt ljus, så vi pressar ner till dessa riktigt höga hastigheter till den punkt där frågan blir "Kan dessa enheter verkligen fungera på den här nivån?" Teoretiskt vet vi att det är möjligt, men vi kommer inte att veta säkert förrän vi tillverkar och testar den här enheten."