(Phys.org) —Una nueva técnica de fabricación desarrollada por el profesor de ingeniería de la UConn, Brian Willis, podría proporcionar la tecnología de vanguardia que los científicos han estado buscando para mejorar enormemente los sistemas de energía solar actuales.

Durante años, Los científicos han estudiado los beneficios potenciales de una nueva rama de la tecnología de energía solar que se basa en matrices de antenas de tamaño nanométrico increíblemente pequeñas que, en teoría, son capaces de recolectar más del 70 por ciento de la radiación electromagnética del sol y convertirla simultáneamente en energía eléctrica utilizable.

La tecnología sería una gran mejora con respecto a los paneles solares de silicio de uso generalizado en la actualidad. Incluso los mejores paneles de silicio recolectan solo alrededor del 20 por ciento de la radiación solar disponible, y se necesitan mecanismos separados para convertir la energía almacenada en electricidad utilizable para la red eléctrica comercial. La eficiencia limitada de los paneles y los costosos costos de desarrollo han sido dos de las mayores barreras para la adopción generalizada de la energía solar como un reemplazo práctico de los combustibles fósiles tradicionales.

Pero aunque las antenas nanométricas se han mostrado prometedoras en teoría, los científicos han carecido de la tecnología necesaria para construirlos y probarlos. El proceso de fabricación es inmensamente desafiante. Las nano antenas, conocidas como "rectennas" debido a su capacidad para absorber y rectificar la energía solar de corriente alterna a corriente continua, deben ser capaces de funcionar a la velocidad de la luz visible y estar construidas de tal manera que su par de núcleos de electrodos está a solo 1 o 2 nanómetros de distancia, una distancia de aproximadamente una millonésima de milímetro, o 30, 000 veces más pequeño que el diámetro del cabello humano.

El avance potencial radica en un nuevo proceso de fabricación llamado deposición de capa atómica de área selectiva (ALD) que fue desarrollado por Willis, un profesor asociado de química, materiales e ingeniería biomolecular y el director anterior del Programa de Ingeniería Química de la UConn. Willis se unió a UConn en 2008 como parte de una eminente iniciativa de contratación de profesores que trajo a la Universidad a un equipo de élite de líderes en tecnología de energía sostenible. Willis desarrolló el proceso ALD mientras enseñaba en la Universidad de Delaware, y patentó la técnica en 2011.

Es a través de la deposición de la capa atómica que los científicos finalmente pueden fabricar un dispositivo rectenna funcional. En un dispositivo de rectenna, uno de los dos electrodos interiores debe tener una punta afilada, similar a la punta de un triángulo. El secreto es colocar la punta de ese electrodo a uno o dos nanómetros del electrodo opuesto, algo similar a sostener la punta de una aguja en el plano de una pared. Antes de la llegada de ALD, Las técnicas de fabricación litográfica existentes no habían podido crear un espacio tan pequeño dentro de un diodo eléctrico en funcionamiento. Usando equipos electrónicos sofisticados como cañones de electrones, lo más cercano que pudieron obtener los científicos fue aproximadamente 10 veces la separación requerida. A través de la deposición de la capa atómica, Willis ha demostrado que es capaz de recubrir con precisión la punta de la rectena con capas de átomos de cobre individuales hasta lograr un espacio de aproximadamente 1,5 nanómetros. El proceso es autolimitante y se detiene a una separación de 1,5 nanómetros.

El tamaño del espacio es crítico porque crea una unión de túnel ultrarrápida entre los dos electrodos de la rectenna, permitiendo una máxima transferencia de electricidad. El espacio nanométrico da a los electrones energizados en la recto el tiempo suficiente para hacer un túnel al electrodo opuesto antes de que su corriente eléctrica se invierta e intenten regresar. La punta triangular de la rectenna dificulta que los electrones inviertan la dirección, capturando así la energía y rectificándola a una corriente unidireccional.

Impresionantemente las rectennas, debido a sus diodos túnel increíblemente pequeños y rápidos, son capaces de convertir la radiación solar en la región infrarroja a través de las longitudes de onda extremadamente rápidas y cortas de la luz visible, algo que nunca antes se había logrado. Paneles solares de silicio, en comparación, tienen una sola banda prohibida que, vagamente hablando, permite que el panel convierta la radiación electromagnética de manera eficiente en solo una pequeña porción del espectro solar. Los dispositivos rectenna no dependen de una banda prohibida y se pueden sintonizar para recolectar luz en todo el espectro solar. creando la máxima eficiencia.

El gobierno federal se ha dado cuenta del trabajo de Willis. Willis y un equipo de científicos de Penn State Altoona junto con SciTech Associates Holdings Inc., una empresa privada de investigación y desarrollo con sede en State College, Pensilvania., recibió recientemente $ 650, 000, subvención de tres años de la National Science Foundation para fabricar rectennas y buscar formas de maximizar su rendimiento.

"Esta nueva tecnología podría hacernos superar el obstáculo y hacer que la energía solar sea competitiva en costos con los combustibles fósiles, "dice Willis." Esta es una tecnología nueva, toda una nueva línea de pensamiento ".

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

"El dispositivo de conversión de energía solar que está desarrollando esta colaboración de dos universidades y un subcontratista de la industria tiene el potencial de revolucionar la tecnología de energía solar verde al aumentar la eficiencia, Reduciendo costos, y brindando nuevas oportunidades económicas, "Dice Zimmerman.

"Hasta el advenimiento de la deposición selectiva de la capa atómica (ALD), no ha sido posible fabricar arreglos de rectenna prácticos y reproducibles que puedan aprovechar la energía solar del infrarrojo a través del visible, "dice Zimmerman." ALD es un paso de procesamiento de vital importancia, haciendo posible la creación de estos dispositivos. Por último, la fabricación, caracterización, y el modelado de los arreglos de rectenna propuestos conducirá a una mayor comprensión de los procesos físicos subyacentes a estos dispositivos, con la promesa de aumentar considerablemente la eficiencia de la tecnología de conversión de energía solar ".

El proceso de deposición de la capa atómica es favorecido por la ciencia y la industria porque es simple, fácilmente reproducible, y escalable para producción en masa. Willis dice que el proceso químico ya lo utilizan empresas como Intel para microelectrónica, y es particularmente aplicable para precisos, Recubrimientos homogéneos para nanoestructuras, nanocables, nanotubos, y para su uso en la próxima generación de semiconductores y transistores de alto rendimiento.

Willis dice que el método que se utiliza para fabricar rectennas también se puede aplicar a otras áreas, incluida la mejora de la energía fotovoltaica actual (la conversión de fotoenergía en energía eléctrica), termoeléctrica, detección e imágenes infrarrojas, y sensores químicos.

Una subvención inicial de 2011 del Centro de Ingeniería de Energía Limpia de UConn le permitió a Willis fabricar un prototipo de rectenna y recopilar datos preliminares utilizando ALD que fue fundamental para obtener la subvención de NSF. Willis dice.

Durante el próximo año, Willis y sus colaboradores en Pensilvania planean construir prototipos de rectennas y comenzar a probar su eficiencia. Willis compara el proceso con sintonizar una estación en una radio.

"Ya hicimos una primera versión del dispositivo, "dice Willis." Ahora estamos buscando formas de modificar la rectenna para que sintonice mejor las frecuencias. Lo comparo con los días en que los televisores dependían de antenas de orejas de conejo para la recepción. Todo era un borrón estático hasta que movió la antena y vio el fantasma de una imagen. Luego siguió moviéndolo hasta que la imagen fue más clara. Eso es lo que estamos buscando ese fantasma de una imagen. Una vez que tengamos eso, podemos trabajar para hacerlo más robusto y repetible ".

Willis dice que encontrar ese punto mágico donde una rectenna capta la máxima energía solar y la rectifica en energía eléctrica será el champaña, Momento "ah-ha" del proyecto.

"Para capturar las frecuencias de luz visible, la rectenna tiene que hacerse más pequeña que cualquier cosa que hayamos hecho antes, por lo que realmente estamos superando los límites de lo que podemos hacer "dice Willis." Y los cruces de túneles tienen que operar a la velocidad de la luz visible, así que estamos bajando a estas velocidades realmente altas hasta el punto en que la pregunta es '¿Pueden estos dispositivos funcionar realmente a este nivel?' Teóricamente sabemos que es posible, pero no lo sabremos con certeza hasta que fabriquemos y probemos este dispositivo ".