Наноантенны для получения солнечной энергии

Ученый из США Брайан Уиллис (Brian Willis), работающий в Коннектикутском университете, сумел освоить технологию атомно-слоевого осаждения и создал массив выпрямляющих наноантенн, называемых еще в научном мире ректеннами. Ректенны необходимы для создания «солнечных батарей повышенной эффективности». Эта одна из краеугольных тем, давно обсуждаемых научным сообществом в теоретическом плане.

Значение создания этой технологии трудно переоценить. Дело в том, что коэффициент полезного действия (КПД) солнечных кремниевых батарей принципиально не превышает 33 процентов, даже в плане теории, а наноантенны, мощный шаг к созданию которых сделал Уиллис, могут не только иметь эффективность, достигающую 70-80 процентов, но и стоить на порядок меньше. Правда, до сих пор эти преимущества выражались не столько делами, сколько словами.

Что такое наноантенна? Ничто иное, как коллектор электромагнитного излучения, необходимый для того, чтобы поглощать энергию определенной длины волны. Один нюанс — длина волны должна быть пропорциональна размеру наноантенны. Важно то, что резонансная частота антенны, т.е. частота, придающая всей системе наибольшую эффективность, растет вместе с физическими размерами антенны, как это и утверждается в известной теории антенн СВЧ. Из этого следует, что выпрямляющая антенна будет эффективна тогда, когда размеры ее элементов будут составлять порядка сотни нанометров. Вот тут то и начинаются проблемы.

Современные наноантенны являются экспериментальными. Они производятся методом электронно-лучевой литографии, которая требуется для производства туннельных диодов. Основа для этого — переход: металл — диэлектрик — металл. Сам по себе этот процесс медленный, дорогой, параллельная обработка при его использовании невозможна, хотя в исследовательских целях он вполне годиться. Важнейшим плюсом при этом явлется то, что он способен чрезвычайно точное разрешение, критичное для работы и эффективности наноантенн. Но и такой дорогой метод не позволяет добиться необходимой точности в 1-2 нм. Это означает, что максимальной эффективности, требуемой теорией, ректеннам не видать. А что делать, когда речь идет о массовом производстве?

Как только завершается нарезка электродов наноантенн при помощи электронно-лучевой пушкой, Брайан Уиллис придумал использовать покрытие обоих электродов атомами меди, используя при этом атомно-слоевое осаждения (аббр.- АСО). В этом случае точность первоначальной операции, выполняемой электронно-лучевой литографией, может находится в диапазоне 10-20 нм. Потом АСО даст возможность довести расстояние между электродами до так нужных и необходимых 1,5 нм.

Малое расстояние создает туннельный переход, дающий электронам «зеленый свет», благодаря которому им удается проскочить между двумя электродами и в дальнейшем использоваться для генерации постоянного тока.

Физик из штата Пенсельвания (США), Дарин Циммерман (Darin Zimmerman), давая свою оценку этому явлению, подчеркнул, что: «До сих пор изготавливать практичные и воспроизводимые массивы ректенн было невозможно. Прототипы ректенн были не способны использовать солнечный свет в диапазоне от инфракрасного до видимого»

«Зато у нас имеется первый вариант подобного устройства, — заявил Уиллис. — В настоящий момент мы изучаем вариант модификации ректенн с целью наилучшей частотной подстройки».

Таким образом, можно констатировать: если задумка ученых будет реализована, то солнечную энергию ждет мощный прорыв: материалы, применяемые для создания наноантенн, стоят от $5 до 11 за квадратный метр. При этом последняя цифра касается золотых наноантенн. Напомним, что в случае кремниевых фотоэлементов стоимость приближается к $400. из них $200 «уходят» на кристаллический кремний.

По материалам: "sciencedebate2008.com"

Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показанОбязательные для заполнения поля помечены *

*