Солнечная энергетика на наноантеннах стала ближе

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.

Образец массива наноантенн, созданных по новой технологии (здесь и ниже иллюстрации Brian Willis, Sean Flynn / UConn Photo).

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?

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.

В ректенне зазор между электродами должен быть минимальным, но раньше добиться нанометровых зазоров при разумных затратах не удавалось. Всё изменилось? Посмотрим.

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.

Подготовлено по материалам Коннектикутского университета.