Nueva técnica de fabricación podría proporcionar gran avance para los sistemas de energía solar 27-Feb-2013

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Universidad de Connecticut

Nueva técnica de fabricación podría proporcionar gran avance para systemsAtomic proceso de deposición de capa de la energía solar podría mejorar en gran medida la eficiencia de las matrices rectena solares

IMAGEN: Esta es una ilustración de una antena de rectificación óptica de trabajo, o rectena.

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Una nueva técnica de fabricación desarrollado por un profesor de ingeniería de la Universidad de Connecticut podría proporcionar a los científicos de la tecnología avance han estado buscando para mejorar notablemente la eficiencia de los sistemas de energía solar de hoy.

Durante años, los científicos han estudiado los beneficios potenciales de una nueva rama de la tecnología de energía solar que se basa en redes de antenas nanométricas teóricamente capaces de cosechar más del 70 por ciento de la radiación electromagnética del sol y al mismo tiempo su conversión en energía eléctrica utilizable.

Pero mientras que las antenas de tamaño nanométrico que también sirven como rectificadores se han mostrado prometedores en teoría, los científicos han carecido de la tecnología necesaria para construir y probar ellos. El proceso de fabricación es un gran desafío. Las nano-antenas - conocidos como "rectennas" debido a su capacidad tanto para absorber y rectificar la energía solar de la corriente alterna en corriente continua - debe ser capaz de funcionar a la velocidad de la luz visible y ser construido de tal manera que su par de núcleos de electrodos es un mero 1 ó 2 nanómetros de distancia, una distancia de aproximadamente una millonésima parte de un milímetro, o 30.000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano.

El gran avance potencial se encuentra en un proceso de fabricación novela llamada área selectiva deposición de capas atómicas (ALD) que fue desarrollado por Brian Willis, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Connecticut y el ex director del Programa de Ingeniería Química de la Universidad de Connecticut.

Es a través de la deposición de capas atómicas que los científicos creen que finalmente puedan fabricar un dispositivo rectena trabajo. En un dispositivo de rectena, uno de los dos electrodos interiores deben tener una punta afilada, de forma similar hasta el punto de un triángulo. El secreto es cada vez que la punta de electrodo dentro de una o dos nanómetros de la electrodo opuesto, algo similar a mantener la punta de una aguja al plano de una pared. Antes de la llegada de la ALD, las técnicas de fabricación litográfica existentes habían sido incapaces de crear un espacio tan pequeño dentro de un diodo de corriente que funcione. El uso de sofisticados equipos electrónicos tales como cañones de electrones, los científicos más cercanos pudimos conseguir fue aproximadamente 10 veces la separación requerida. A través de la deposición de capa atómica, Willis ha demostrado que es capaz de precisión cubra la punta de la antena receptora con capas de átomos de cobre individuales hasta un vacío de aproximadamente 1,5 nanómetros se logra. El proceso es autolimitado y se detiene en 1,5 separación nanométrica.

El tamaño de la brecha es fundamental, ya que crea una unión túnel ultra rápida entre dos electrodos de la antena receptora, permitiendo una máxima transferencia de energía eléctrica. La brecha nanosized da electrones energizados en la rectena el tiempo justo para hacer un túnel hacia el electrodo opuesto antes de que sus reveses de corriente eléctrica y tratan de volver. La punta triangular de la antena receptora hace que sea difícil para los electrones a la dirección inversa, capturando así la energía y rectificar a una corriente unidireccional.

Sorprendentemente, los rectennas, debido a sus muy pequeños y rápidos diodos túnel, son capaces de convertir la radiación solar en la región infrarroja a través de las longitudes de onda extremadamente rápidos y cortos de luz visible - algo que nunca se ha logrado antes. Paneles solares de silicio, en comparación, tienen un único hueco de banda que, hablando en términos generales, permite que el panel de convertir la radiación electromagnética de manera eficiente a sólo una pequeña porción del espectro solar. Los dispositivos rectena no se basan en un espacio de banda y pueden ser sintonizados a la luz de la cosecha en todo el espectro solar, creando una máxima eficiencia.

Willis y un equipo de científicos de Penn State Altoona junto con SciTech Associates Holdings Inc., una compañía de investigación y desarrollo privado con sede en State College, Pensilvania, ha recibido recientemente una subvención de 650.000 dólares y tres años de la Fundación Nacional de Ciencias para fabricar rectennas y buscar formas de maximizar su rendimiento.

"Esta nueva tecnología podría sacarnos del bache y crea costos competitivos con los combustibles fósiles de energía solar", dice Willis. "Esta es la nueva tecnología de la marca, un tren completamente nuevo de pensamiento."

El equipo de investigación de Penn State Altoona - que ha estado explorando el lado teórico de rectennas durante más de una década - es dirigido por el profesor de física Darin Zimmerman, con profesores de física compañeros Gary Weisel y Brock Weiss sirviendo como co-investigadores. La colaboración también incluye profesores de física del estado de Penn eméritos Paul Cutler y Nicholas Miskovsky, que son miembros principales de Scitech Associates.

"El dispositivo de conversión de energía solar en desarrollo por esta colaboración de dos universidades y un subcontratista de la industria tiene el potencial de revolucionar la tecnología de energía solar verde, aumentando la eficiencia, reducir los costos y proporcionar nuevas oportunidades económicas", dice Zimmerman.

"Hasta el advenimiento del selectivo deposición de capas atómicas (ALD), no ha sido posible fabricar matrices prácticos y reproducibles rectena que pueden aprovechar la energía solar de los rayos infrarrojos a través de lo visible", dice Zimmerman. "ALD es una etapa de procesamiento de vital importancia, por lo que la creación de estos dispositivos posible. En última instancia, la fabricación, caracterización y modelización de los arrays rectena propuestas darán lugar a una mayor comprensión de los procesos físicos que subyacen a estos dispositivos, con la promesa de aumentar en gran medida la eficiencia de la tecnología de conversión de energía solar ".

El proceso de deposición de capas atómicas se ve favorecida por la ciencia y la industria, ya que es simple, fácilmente reproducible y escalable para la producción en masa. Willis dice que el proceso químico es particularmente aplicable para recubrimientos precisas y homogéneas para nanoestructuras, nanohilos, nanotubos, y para su uso en la próxima generación de semiconductores y transistores de alto rendimiento.

El método que se utiliza para fabricar rectennas también se puede aplicar a otras áreas, incluyendo la mejora de la energía fotovoltaica actuales (la conversión de la energía foto en energía eléctrica), termoeléctricas, detección e imágenes de infrarrojos, y sensores químicos.

Durante el próximo año, Willis y sus colaboradores en Pennsylvania planean construir rectennas prototipo y comenzar a probar su eficacia.

"Para capturar las frecuencias de la luz visible, la antena receptora tiene que hacerse más pequeño que cualquier cosa que hayamos hecho antes, así que estamos realmente empujar los límites de lo que podemos hacer", dice Willis. "Y las uniones túnel tienen que operar a la velocidad de la luz visible, por lo que estamos empujando hacia abajo a estas velocidades realmente altas hasta el punto en que la pregunta es '¿Pueden estos dispositivos realmente funcionar a este nivel? Teóricamente sabemos que es posible, pero no lo sabremos con seguridad hasta que hacer y probar este dispositivo ".