En ny tillverkningsteknik utvecklad av en ingenjörsprofessor vid University of Connecticut kan ge den banbrytande teknologin som forskare har letat efter för att avsevärt förbättra effektiviteten hos dagens solenergisystem.

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

Men medan nanostora antenner som också fungerar som likriktare 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 deras 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 atomlagerdeposition (ALD) som utvecklades av Brian Willis, en docent i kemisk och biomolekylär teknik vid University of Connecticut och tidigare chef för UConns Chemical Engineering Program.

Det är genom avsättning av atomlager som forskare tror att de äntligen kan tillverka en fungerande rektennaanordning. I en rectenna-enhet, 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, existerande litografiska tillverkningstekniker hade inte kunnat skapa ett så litet utrymme i en fungerande elektrisk diod. Använda sofistikerad elektronisk utrustning som elektronpistoler, det närmaste forskarna kunde komma var ungefär 10 gånger den krävda 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 nanostora gapet ger strömförande elektroner på rektennan precis tillräckligt med tid för att tunnla till den motsatta elektroden 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 extremt 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 sagt, 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.

Willis och ett team av forskare från Penn State Altoona tillsammans med SciTech Associates Holdings Inc., ett privat forsknings- och utvecklingsföretag baserat i 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 fysikprofessorerna Gary Weisel och Brock Weiss som medutredare. 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 löftet om att kraftigt öka effektiviteten hos solenergikonverteringsteknik."

Atomskiktsavsättningsprocessen gynnas av vetenskap och industri eftersom den är enkel, lätt reproducerbar, och skalbar för massproduktion. Willis säger att den kemiska processen är särskilt användbar för exakta, homogena beläggningar för nanostrukturer, nanotrådar, nanorör, och för användning i nästa generation av högpresterande halvledare och transistorer.

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

Under nästa år, Willis och hans medarbetare i Pennsylvania planerar att bygga prototyper av rektennor och börja testa deras effektivitet.

"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 det synliga ljusets hastighet, 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."