(Phys.org)—Una nuova tecnica di fabbricazione sviluppata dal professore di ingegneria della UConn Brian Willis potrebbe fornire la tecnologia rivoluzionaria che gli scienziati stavano cercando per migliorare notevolmente i sistemi di energia solare di oggi.

Per anni, gli scienziati hanno studiato i potenziali benefici di un nuovo ramo della tecnologia dell'energia solare che si basa su array di antenne nanometriche incredibilmente piccole che sono teoricamente in grado di raccogliere oltre il 70 percento della radiazione elettromagnetica del sole e contemporaneamente convertirla in energia elettrica utilizzabile.

La tecnologia rappresenterebbe un enorme miglioramento rispetto ai pannelli solari in silicio oggi ampiamente utilizzati. Anche i migliori pannelli di silicio raccolgono solo il 20% circa della radiazione solare disponibile, e sono necessari meccanismi separati per convertire l'energia immagazzinata in elettricità utilizzabile per la rete elettrica commerciale. L'efficienza limitata dei pannelli e i costosi costi di sviluppo sono stati due dei maggiori ostacoli all'adozione diffusa dell'energia solare come sostituto pratico dei combustibili fossili tradizionali.

Ma mentre le antenne nanometriche hanno mostrato risultati promettenti in teoria, agli scienziati mancava la tecnologia necessaria per costruirli e testarli. Il processo di fabbricazione è estremamente impegnativo. Le nano-antenne – note come “rectennas” per la loro capacità sia di assorbire che di rettificare l'energia solare da corrente alternata a corrente continua – devono essere in grado di funzionare alla velocità della luce visibile ed essere costruite in modo tale che la loro coppia di nuclei di elettrodi è distante solo 1 o 2 nanometri, una distanza di circa un milionesimo di millimetro, o 30, 000 volte più piccolo del diametro dei capelli umani.

La potenziale svolta risiede in un nuovo processo di fabbricazione chiamato deposizione di strati atomici ad area selettiva (ALD) che è stato sviluppato da Willis, professore associato di chimica, materiali, e ingegneria biomolecolare e il precedente direttore del programma di ingegneria chimica di UConn. Willis è entrato a far parte di UConn nel 2008 come parte di un'eminente iniziativa di assunzione di docenti che ha portato all'Università un team d'élite di leader nella tecnologia dell'energia sostenibile. Willis ha sviluppato il processo ALD mentre insegnava all'Università del Delaware, e brevettato la tecnica nel 2011.

È attraverso la deposizione di strati atomici che gli scienziati possono finalmente fabbricare un dispositivo rectenna funzionante. In un dispositivo rectenna, uno dei due elettrodi interni deve avere una punta acuminata, simile alla punta di un triangolo. Il segreto è ottenere la punta di quell'elettrodo entro uno o due nanometri dall'elettrodo opposto, qualcosa di simile a tenere la punta di un ago sul piano di un muro. Prima dell'avvento dell'ALD, le tecniche di fabbricazione litografica esistenti non erano state in grado di creare uno spazio così piccolo all'interno di un diodo elettrico funzionante. Utilizzando sofisticate apparecchiature elettroniche come cannoni elettronici, il massimo che gli scienziati potessero ottenere era circa 10 volte la separazione richiesta. Attraverso la deposizione di strati atomici, Willis ha dimostrato di essere in grado di rivestire con precisione la punta della rectenna con strati di singoli atomi di rame fino a raggiungere uno spazio di circa 1,5 nanometri. Il processo è autolimitante e si ferma a una separazione di 1,5 nanometri.

La dimensione del gap è fondamentale perché crea una giunzione tunnel ultraveloce tra i due elettrodi della rectenna, consentendo un trasferimento massimo di elettricità. Il gap nanometrico dà agli elettroni energizzati sulla rectenna il tempo sufficiente per raggiungere l'elettrodo opposto prima che la loro corrente elettrica si inverta e cerchino di tornare indietro. La punta triangolare della rectenna rende difficile per gli elettroni invertire la direzione, catturando così l'energia e rettificandola in una corrente unidirezionale.

Impressionante, le rectenne, a causa dei loro diodi tunnel incredibilmente piccoli e veloci, sono in grado di convertire la radiazione solare nella regione dell'infrarosso attraverso le lunghezze d'onda estremamente veloci e corte della luce visibile, qualcosa che non è mai stato realizzato prima. Pannelli solari al silicio, a confronto, hanno un unico band gap che, parlando in modo approssimativo, consente al pannello di convertire efficacemente la radiazione elettromagnetica in una sola piccola porzione dello spettro solare. I dispositivi rectenna non si basano su un intervallo di banda e possono essere sintonizzati per raccogliere la luce su tutto lo spettro solare, creando la massima efficienza.

Il governo federale ha preso atto del lavoro di Willis. Willis e un team di scienziati di Penn State Altoona insieme a SciTech Associates Holdings Inc., una società privata di ricerca e sviluppo con sede a State College, Papà., ha recentemente ricevuto $ 650, 000, sovvenzione triennale della National Science Foundation per fabbricare rectenna e cercare modi per massimizzare le loro prestazioni.

"Questa nuova tecnologia potrebbe farci superare l'ostacolo e rendere l'energia solare competitiva in termini di costi rispetto ai combustibili fossili, " dice Willis. "Questa è una tecnologia nuova di zecca, un nuovo corso di pensiero."

Il team di ricerca di Penn State Altoona, che da oltre un decennio sta esplorando il lato teorico delle rectennas, è guidato dal professore di fisica Darin Zimmerman, con i colleghi professori di fisica Gary Weisel e Brock Weiss in qualità di co-investigatori. La collaborazione include anche i professori emeriti di fisica della Penn State Paul Cutler e Nicholas Miskovsky, che sono i principali membri di Scitech Associates.

"Il dispositivo di conversione dell'energia solare in fase di sviluppo da questa collaborazione tra due università e un subappaltatore del settore ha il potenziale per rivoluzionare la tecnologia dell'energia solare verde aumentando l'efficienza, riduzione dei costi, e offrendo nuove opportunità economiche, "dice Zimmermann.

"Fino all'avvento della deposizione selettiva di strati atomici (ALD), non è stato possibile fabbricare array di rectenna pratici e riproducibili in grado di sfruttare l'energia solare dall'infrarosso attraverso il visibile, " dice Zimmerman. "ALD è una fase di lavorazione di vitale importanza, rendendo possibile la creazione di questi dispositivi. In definitiva, la fabbricazione, caratterizzazione, e la modellazione degli array di rectenna proposti porterà a una maggiore comprensione dei processi fisici alla base di questi dispositivi, con la promessa di aumentare notevolmente l'efficienza della tecnologia di conversione dell'energia solare."

Il processo di deposizione dello strato atomico è favorito dalla scienza e dall'industria perché è semplice, facilmente riproducibile, e scalabile per la produzione di massa. Willis afferma che il processo chimico è già utilizzato da aziende come Intel per la microelettronica, ed è particolarmente applicabile per precisi, rivestimenti omogenei per nanostrutture, nanofili, nanotubi, e per l'uso nella prossima generazione di semiconduttori e transistor ad alte prestazioni.

Willis afferma che il metodo utilizzato per fabbricare rectennas può essere applicato anche ad altre aree, compreso il potenziamento dell'attuale fotovoltaico (la conversione dell'energia fotografica in energia elettrica), termoelettrici, rilevamento e imaging a infrarossi, e sensori chimici.

Una sovvenzione seme del 2011 dal Centro per l'ingegneria dell'energia pulita di UConn ha permesso a Willis di fabbricare un prototipo di rectenna e raccogliere dati preliminari utilizzando l'ALD che è stato determinante per garantire la sovvenzione NSF, dice Willis.

Nel corso del prossimo anno, Willis ei suoi collaboratori in Pennsylvania progettano di costruire rectenna prototipo e iniziare a testarne l'efficienza. Willis paragona il processo alla sintonizzazione di una stazione su una radio.

"Abbiamo già realizzato una prima versione del dispositivo, " dice Willis. "Ora stiamo cercando modi per modificare la rectenna in modo che si sintonizzi meglio sulle frequenze. Lo paragono ai giorni in cui i televisori si affidavano alle antenne per orecchie di coniglio per la ricezione. Tutto era una sfocatura statica finché non hai spostato l'antenna e hai visto il fantasma di un'immagine. Poi hai continuato a spostarlo finché l'immagine non era più chiara. Questo è quello che stiamo cercando, quel fantasma di un'immagine. Una volta che l'abbiamo, possiamo lavorare per renderlo più robusto e ripetibile."

Willis dice che trovare quel punto magico in cui una rectenna raccoglie la massima energia solare e la rettifica in energia elettrica sarà lo champagne-stapping, momento "ah-ha" del progetto.

"Per catturare le frequenze della luce visibile, la rectenna deve diventare più piccola di qualsiasi cosa abbiamo mai fatto prima, quindi stiamo davvero spingendo i limiti di ciò che possiamo fare, " dice Willis. "E le giunzioni del tunnel devono funzionare alla velocità della luce visibile, quindi stiamo spingendo verso queste velocità davvero elevate al punto in cui la domanda diventa "Questi dispositivi possono davvero funzionare a questo livello?" In teoria sappiamo che è possibile, ma non lo sapremo per certo finché non realizzeremo e testeremo questo dispositivo."