Солнечная энергетика » Научные разработки

В ректенне зазор между электродами должен быть минимальным, но раньше добиться нанометровых зазоров при разумных затратах не удавалось (изображение: Brian Willis, Sean Flynn / UConn Photo)

Брайан Уиллис (Brian Willis, на фото) из Коннектикутского университета (США) применил атомно-слоевое осаждение для создания массива выпрямляющих наноантенн, точнее — ректенн, предназначенных для давно теоретически обсуждавшихся «солнечных батарей высокой эффективности».

Напомним, что КПД солнечных кремниевых батарей не может быть выше 33% даже теоретически. Наноантенны же, как считается, способны иметь эффективность в 70–80%, причём при меньшей стоимости. Вот только долгие годы все эти преимущества были лишь на словах.

Наноантенна — это коллектор электромагнитного излучения, предназначенный для поглощения энергии определённой длины волны, пропорциональной размеру наноантенны. Резонансная частота антенны (частота, на которой система обладает самой высокой эффективностью) растёт с её физическими размерами в соответствии с теорией антенн СВЧ. Поэтому, чтобы выпрямляющая антенна была эффективна, она должна иметь элементы размером порядка сотен нанометров. И тут начинаются сложности.

Нынешние экспериментальные наноантенны производятся по методу электронно-лучевой литографии, требующейся для создания туннельных диодов на основе переходов металл — диэлектрик — металл. Это медленный и дорогой процесс, при котором невозможна параллельная обработка. В исследовательских целях он ещё годится, поскольку обеспечивает необходимое чрезвычайно точное разрешение, жизненно важное для эффективности наноантенн. Однако даже с помощью такого дорогого метода добиться точности в 1-2 нм не удаётся, а без этого максимальной теоретической эффективности ректеннам не видать. А вот что делать в массовом производстве?

 (фото:  Brian Willis, Sean Flynn / UConn Photo)

Брайан Уиллис предложил использовать (сразу же после нарезки электродов наноантенн электронно-лучевой пушкой) покрытие обоих электродов атомами меди именно при помощи атомно-слоевого осаждения (АСО). При этом точность начальной операции электронно-лучевой литографии может быть всего 10-20 нм. Потом АСО доведёт расстояние между электродами до необходимых 1,5 нм.

При столь малом расстоянии возникает туннельный переход, позволяющий электронам проскочить между двумя электродами и быть использованными для генерации постоянного тока.

«До этого... было невозможно изготавливать практичные и воспроизводимые массивы ректенн, способных использовать солнечный свет от инфракрасного до видимого диапазона», — подчёркивает Дарин Циммерман (Darin Zimmerman), физик из Университета штата Пенсильвания (США).

«У нас уже есть первая версия такого устройства, — говорит г-н Уиллис. — Сейчас мы изучаем возможность модифицирования ректенн для лучшей частотной подстройки».

Итак, если нечто подобное удастся, солнечную энергетику может ждать резкий рывок: материалы, идущие на создание наноантенн, стоят всего $5–11 (последняя цифра — для золотых наноантенн) за квадратный метр, а в случае кремниевых фотоэлементов эта цифра приближается к $400, где не менее $200 приходится на кристаллический кремний.

www.computerra.ru со ссылкой на материалы Коннектикутского университета