За прошедшие четыре десятилетия накопленные знания и опыт позволили создать ряд антенн-преобразователей, получивших распространение в системах, снабжающих энергией маломощные электронные устройства и коммуникационные системы Near-Field Communication. Но, несмотря на определенные успехи в разработке преобразователей волн радиочастного диапазона в постоянный электрический ток, все без исключения попытки создать аналогичное эффективное устройство для волн в видимом спектре за последние 40 лет окончились неудачей.
Изучение свойств углеродных нанотрубок на стыке новейших технологий производства позволило специалистам Технологического института Джорджии создать выпрямляющие карбоновые антенны, преобразовывающие обычный свет непосредственно в постоянный электрический ток. Успех эксперимента позволяет говорить о возможности создания систем солнечной энергетики со значительно улучшенными показателями эффективности.
"Сейчас наступило прекрасное время – считает руководитель группы разработчиков, профессор Технологического Института Джорджии Баратунда Кола (Baratunde Cola), … когда появилась практическая возможность реализовать некоторые смелые концептуальные идеи на практике, создавая устройства с использованием новых технологий." Именно таким образом командой Колы, Аша Шарма, Вирендры Сингха и Томаса Боуджера были созданы многослойные углеродные антенны — нанотрубки, позволяющие использовать возможности волновой, а не корпускулярной природы света.
Процесс производства преобразователя начинается с выращивания на токопроводящей подложке ”леса” — вертикально-ориентированных углеродных нанотрубок, на поверхность которых наносится тончайший слой оксида алюминия, выполняющего функцию диэлектрика. Далее, последовательно, методом осаждения сверху наносится оптически прозрачный слой кальция, а на вершины нанотрубок — слой алюминия, выполняющий функции анода.
Под влиянием фотонов падающего света, проходящего через прозрачный электрод Al/Ca нанотрубки начинают вибрировать, порождая высокочастотный переменный электрический ток, который, пройдя через 10-ти нанометровые выпрямители с емкостью порядка аттофарады и быстродействием порядка петагерца, преобразуется в ток постоянный и может быть использован по назначению.
Финальная версия прототипа стала, как минимум, тысячным по счету экспериментальным образцом, позволившим исследователям получить данные, подтверждающие теоретический прогноз.
Ректенны, изготовленные группой Кола выращены на жестком носителе. Диапазон рабочих температур такого преобразователя составляет от 5 до 77 градусов Цельсия. Уже в ближайшей перспективе инженеры рассчитывают получить аналогичный эффект на гибком материале, который можно будет использовать в качестве активного слоя солнечных батарей.
Несмотря на исчезающе малую эффективность экспериментального образца разработчики убеждены, что смогут в течение ближайшего года масштабировать разработку и получить коммерческий преобразователь с мощностью, улучшенной до 40% от объема поглощаемого света. “… В итоге мы изготовим вдвое более эффективные солнечные батареи, которые будут в 10 раз доступнее по цене, …", утверждает Кола.
Созданный действующий маломощный прототип рассматривается Колой как доказательство концепции, лежащей в основе разработки. Новые, более мощные аналоги, по мнению ученых, могут быть получены благодаря оптимизации структуры антенны — уменьшению ее сопротивления и увеличению числа каналов проводимости.
Стоит заметить, что проект реализуется под патронатом агентств DAPRA, исследовательских центров Space and Naval Warfare (SPAWAR) Systems Center и Army Research Office (ARO), что существенно увеличивает шансы группы.
Пожелаем команде Cola успехов, и будем следить за конкретными результатами, тем более, что по оптимистичным заверениям ее руководителя, ждать их придется не так уж и долго.
Подробнее с разработкой группы Баратунда Кола вы сможете познакомиться здесь.
Уважаемые читатели, мы всегда с удовольствием встречаем и ждем вас на страницах блога iCover! Мы готовы и дальше радовать вас своими публикациями и постараемся сделать все возможное для того, чтобы проведенное с нами время доставило удовольствие и вам. И, конечно, не забывайте подписываться на наши рубрики и мы обещаем, скучать не придется!
Другие наши статьи
Комментарии (10)
0xd34df00d
08.10.2015 19:42+1Это всё круто и здорово, конечно, но не очень понятно следующее. Обычные солнечные панели, насколько я знаю, поглощают достаточно широкую часть спектра. Ректенны же по определению будут эффективно работать только с некоторой фиксированной длиной волны, да и то сильно неочевидно, что не-лазерный свет они будут эффективно поглощать: по идее, требуется синфазность падающего света.
Mad__Max
10.10.2015 20:30Нет, обычные («классические») солнечные батареи тоже используют небольшой участок солнечного спектра (какой именно — зависит от конкретной технологии и материала). Это одна из главных причин почему у них довольно низкий КПД — он даже в теории выше 20 с чем-то % (26 ИМНИП) не может быть. На практике для серийного производства от 10% до 20%. Как раз из-за того, что используется только часть спектра.
Всякие лабораторные образцы с высокими КПД (до 44% рекорд вроде) про которые часто пишут — это уже многокомпонентные элементы, представляющие собой своего рода слоеный пирог из нескольких солнечных батарей разных типов(материалов) наложенных одна поверх другой (верние слои при этом полупрозрачные). Где каждый компонент (слой) «усваивает» только свою часть спектра. Чаще всего используется 3 слоя/диапазона.
Но в производстве такие «слойки» получаются настолько сложнее и дороже чем обычные, что это не оправдывается даже намного более высоким КПД — кроме специфических применений (когда нужно снять максимальную мощность с минимальной площади, а стоимость вторична).
jar_ohty
08.10.2015 19:57Вообще, подозреваю, что если хорошо поскрести этот массив антенн и MOM-диодов с аккуратным учетом квантовых эффектов, то окажется, что никакие это не антенны и не выпрямители. И что реально все это работает примерно так же, как и обычный p-n переход в обычном полупроводнике. Только полупроводник с очень уж замысловатой структурой.
SelenIT2
09.10.2015 00:34Почему-то напомнило классика..:)
— При воздействии электрических разрядов кристаллы изгибаются, и, напротив, будучи изогнуты, выдают электрический разряд. Период колебания — является неотъемлемым качеством кристалла, зависящим от его геометрических пропорций. Будучи подключенным к передающему радиоконтуру, кристалл заставляет весь контур работать на одной постоянной частоте, присущей самому кристаллу. Вот оно, малыш, вот! Если нам удастся найти подходящий кристалл и обработать его так, чтобы он вибрировал на частоте видимого спектра — то способ преобразования электроэнергии в световую без потерь на тепло у нас в кармане!
— Работает! Безо всяких! Экраны работают в двух направлениях! Дай им энергию — получишь свет. Дай им свет — получишь энергию!
— Не вешай нос, детка! Мы создали экран, вибрирующий только в области видимого спектра. А можем, наверное, сконструировать и другой — так сказать, атонический — чтобы реагировал на волны любой длины. Он будет усваивать всю лучистую энергию, какая на него попадет, и превращать ее в электрическую. В ясный полдень, да с такой крышей мы хоть тысячу лошадей получим!..
Правда, технология по описанию пока далековата от описанной в рассказе «почти халявы», но в любом случае желаю исследователям успеха!Mad__Max
10.10.2015 20:32Кстати примерно год назад уже проскакивала научная работа, где с помощью ректенн смогли преобразовать в электричество микроволновое реликтовое излучение. Эффективность правда мизерная, так что о практических применения речи не идет.
Но просто интересен как сам факт «извлечения энергии Большого Взрыва»
Ну и та группа после этого успеха планирует добиться того же для ИК диапазона. Вот это уже будет прорыв — хотя я не в курсе, насколько реальны их планы, возможно это просто мечты или пиар для получения следующего гранта на продолжение работ…
dMac
09.10.2015 16:25По поводу «одночастотности», или, в данном случае — одноцветности — вопрос, наверное, решаемый. Во-первых, если эти трубко-резонаторы низкодобротные, то и сам собой, а во-вторых, постепенным изменением их длины в каком-либо направлении «ректенны».
Название, кстати, для русского языка не совсем благозвучное.
А вот с эффективностью — засада… Далеко не факт, что принцип прямого детектирования удастся когда-либо вот так прямо взять и перенести на масштабы, где поведение материалов определяют квантовые эффекты.
Mad__Max
10.10.2015 20:39Несмотря на исчезающе малую эффективность экспериментального образца разработчики убеждены, что смогут в течение ближайшего года масштабировать разработку и получить коммерческий преобразователь с мощностью, улучшенной до 40% от объема поглощаемого света. “… В итоге мы изготовим вдвое более эффективные солнечные батареи, которые будут в 10 раз доступнее по цене, …", утверждает Кола.
И с чего это такие мечты и хотелки? Ну в КПД такой допустим поверить вполне можно. Но с чего они будет дешевле ?!
Современные кремниевые солнечные элементы уже сейчас стоят в районе 50$ за квадратный метр. Они листы покрытые выращенными нанотрубками по 5$ за квадратный метр собираются производить? Выглядит как новости из параллельной(альтернативной) реальности.
А в нашей производство нанотрубок (и не просто «валом», а строго упорядоченных) стоит дорого.
rPman
11.10.2015 13:44Так технологии выращивания нанотрубок может быть примитивным последовательным купанием подложки в различных средах, каждая из которых вполне простая.
Где то тут была новость про выращивание нанотрубок с помощью клейкой ленты…
marenkov
Сам факт, что удалось принять свет как радиосигнал и преобразовать в электричество, очень крут. Но восторженные обещания «догнать и перегнать» пока что похожи на восторги от первых сверхпроводников, полученных при температуре чуть выше абсолютного нуля. Круто, и даже используется, но об обещанном «в каждый дом» уже даже не вспоминают.
VoiceDao
да, абсолютно с вами согласен эффективность устройства мизерная, до реального коммерческого образца далековато, время покажет, да и кураторы серьезные, из тех, что не только финансируют, но и требуют результата). Будем посмотреть.