Сонячні антени для сонячної енергетики

Брайан Вілліс (Brian Willis, на фото) з Коннектікутского університету (США) застосував атомно-шарове осадження для створення масиву випрямляючих наноантен, точніше – ректенн, призначених для давно теоретично обговорюваних «сонячних батарей високої ефективності». Нагадаємо, що ККД сонячних кремнієвих батарей не може бути вище 33% навіть теоретично. Наноантени ж, як вважається, здатні мати ефективність у 70-80%, причому при меншій вартості. Ось тільки довгі роки всі ці переваги були лише на словах.

Наноантени – це колектор електромагнітного випромінювання, призначений для поглинання енергії певної довжини хвилі, пропорційної розміру наноантени. Резонансна частота антени (частота, на якій система володіє найвищою ефективністю) зростає з її фізичними розмірами у відповідності з теорією антен СВЧ. Тому, щоб випрямляюча антена була ефективна, вона повинна мати елементи розміром порядку сотень нанометрів. І тут починаються складнощі.

Нинішні експериментальні наноантени виробляються за методом електронно-променевої літографії, що вимагається для створення тунельних діодів на основі переходів метал – діелектрик – метал. Це повільний і дорогий процес, при якому неможлива паралельна обробка. У дослідницьких цілях він ще годиться, оскільки забезпечує необхідне надзвичайно точне дозвіл, життєво важливе для ефективності наноантени. Однак навіть за допомогою такого дорогого методу домогтися точності в 1-2 нм не вдається, а без цього максимальної теоретичної ефективності ректеннам не бачити. А ось що робити в масовому виробництві?

Брайан Вілліс запропонував використовувати (відразу ж після нарізки електродів наноантени електронно-променевою гарматою) покриття обох електродів атомами міді саме за допомогою атомно-шарового осадження (АФО). При цьому точність початкової операції електронно-променевої літографії може бути всього 10-20 нм. Потім АСО доведе відстань між електродами до необхідних 1,5 нм.

У ректенне зазор між електродами повинен бути мінімальним, але раніше домогтися нанометрових зазорів при розумних витратах не вдавалося. Все змінилося? Подивимося.

При настільки малій відстані виникає тунельний перехід, що дозволяє електронам проскочити між двома електродами і бути використаними для генерації постійного струму.

«До цього … було неможливо виготовляти практичні та відтворювані масиви ректен, здатних використовувати сонячне світло від інфрачервоного до видимого діапазону», – підкреслює Дарін Циммерман (Darin Zimmerman), фізик з Університету штату Пенсільванія (США).

«У нас вже є перша версія такого пристрою, – говорить г-н Вілліс. – Зараз ми вивчаємо можливість модифікування ректен для кращої частотної підстроювання».

Отже, якщо щось подібне вдасться, сонячну енергетику може чекати різкий ривок: матеріали, що йдуть на створення наноантени, коштують всього $ 5-11 (остання цифра – для золотих наноантени) за квадратний метр, а в разі кремнієвих фотоелементів ця цифра наближається до $ 400, де не менше $ 200 припадає на кристалічний кремній.