(Phys.org) - Une nouvelle technique de fabrication développée par Brian Willis, professeur d'ingénierie à l'UConn, pourrait fournir la technologie révolutionnaire que les scientifiques recherchent pour améliorer considérablement les systèmes d'énergie solaire d'aujourd'hui.

Pendant des années, les scientifiques ont étudié les avantages potentiels d'une nouvelle branche de la technologie de l'énergie solaire qui repose sur des réseaux d'antennes nanométriques incroyablement petits qui sont théoriquement capables de capter plus de 70 % du rayonnement électromagnétique du soleil et de le convertir simultanément en énergie électrique utilisable.

La technologie serait une grande amélioration par rapport aux panneaux solaires en silicium largement utilisés aujourd'hui. Même les meilleurs panneaux de silicium ne collectent qu'environ 20 pour cent du rayonnement solaire disponible, et des mécanismes séparés sont nécessaires pour convertir l'énergie stockée en électricité utilisable pour le réseau électrique commercial. L'efficacité limitée des panneaux et les coûts de développement élevés ont été deux des plus grands obstacles à l'adoption généralisée de l'énergie solaire comme remplacement pratique des combustibles fossiles traditionnels.

Mais alors que les antennes nanométriques se sont révélées prometteuses en théorie, les scientifiques n'avaient pas la technologie nécessaire pour les construire et les tester. Le processus de fabrication est extrêmement difficile. Les nano-antennes – appelées « rectennes » en raison de leur capacité à la fois à absorber et à rectifier l'énergie solaire du courant alternatif au courant continu – doivent être capables de fonctionner à la vitesse de la lumière visible et être construites de telle sorte que leur paire de noyaux d'électrodes n'est distant que de 1 ou 2 nanomètres, une distance d'environ un millionième de millimètre, ou 30, 000 fois plus petit que le diamètre des cheveux humains.

La percée potentielle réside dans un nouveau processus de fabrication appelé dépôt de couche atomique par zone sélective (ALD) qui a été développé par Willis, professeur agrégé de chimie, matériaux, et le génie biomoléculaire et l'ancien directeur du programme de génie chimique de l'UConn. Willis a rejoint UConn en 2008 dans le cadre d'une initiative de recrutement de professeurs éminents qui a amené à l'Université une équipe d'élite de leaders en technologie de l'énergie durable. Willis a développé le processus ALD tout en enseignant à l'Université du Delaware, et breveté la technique en 2011.

C'est grâce au dépôt d'une couche atomique que les scientifiques peuvent enfin fabriquer un dispositif rectenna fonctionnel. Dans un appareil rectenna, l'une des deux électrodes intérieures doit avoir une pointe acérée, semblable à la pointe d'un triangle. Le secret consiste à placer la pointe de cette électrode à un ou deux nanomètres de l'électrode opposée, quelque chose de similaire à tenir la pointe d'une aiguille sur le plan d'un mur. Avant l'avènement de l'ALD, les techniques de fabrication lithographiques existantes n'avaient pas été en mesure de créer un si petit espace dans une diode électrique fonctionnelle. En utilisant des équipements électroniques sophistiqués tels que des canons à électrons, les scientifiques les plus proches pouvaient obtenir était environ 10 fois la séparation requise. Par dépôt de couche atomique, Willis a montré qu'il était capable de recouvrir avec précision la pointe de la rectenna de couches d'atomes de cuivre individuels jusqu'à ce qu'un écart d'environ 1,5 nanomètre soit atteint. Le processus est auto-limité et s'arrête à une séparation de 1,5 nanomètre.

La taille du gap est critique car il crée une jonction tunnel ultra-rapide entre les deux électrodes de la rectenna, permettant un transfert maximum d'électricité. L'espace nanométrique donne aux électrons sous tension sur la rectenna juste assez de temps pour tunneler vers l'électrode opposée avant que leur courant électrique ne s'inverse et qu'ils essaient de revenir en arrière. La pointe triangulaire de la rectenna rend difficile l'inversion de sens des électrons, capturant ainsi l'énergie et la rectifiant en un courant unidirectionnel.

Impressionnant, les rectennes, en raison de leurs diodes tunnel incroyablement petites et rapides, sont capables de convertir le rayonnement solaire dans la région infrarouge à travers les longueurs d'onde extrêmement rapides et courtes de la lumière visible - quelque chose qui n'a jamais été accompli auparavant. Panneaux solaires au silicium, par comparaison, ont une seule bande interdite qui, en gros, permet au panneau de convertir efficacement le rayonnement électromagnétique sur une petite partie seulement du spectre solaire. Les dispositifs rectenna ne reposent pas sur une bande interdite et peuvent être réglés pour capter la lumière sur l'ensemble du spectre solaire, créant une efficacité maximale.

Le gouvernement fédéral a pris note du travail de Willis. Willis et une équipe de scientifiques de Penn State Altoona avec SciTech Associates Holdings Inc., une société privée de recherche et développement basée à State College, Pennsylvanie., a récemment reçu un 650 $, 000, subvention de trois ans de la National Science Foundation pour fabriquer des rectennas et rechercher des moyens d'optimiser leurs performances.

"Cette nouvelle technologie pourrait nous faire franchir le pas et rendre l'énergie solaire compétitive par rapport aux combustibles fossiles, " dit Willis. " C'est une toute nouvelle technologie, un tout nouveau train de pensée."

L'équipe de recherche de Penn State Altoona - qui explore le côté théorique des rectennas depuis plus d'une décennie - est dirigée par le professeur de physique Darin Zimmerman, avec ses collègues professeurs de physique Gary Weisel et Brock Weiss en tant que co-chercheurs. La collaboration comprend également les professeurs émérites de physique de Penn State Paul Cutler et Nicholas Miskovsky, qui sont les principaux membres de Scitech Associates.

"Le dispositif de conversion d'énergie solaire en cours de développement par cette collaboration de deux universités et d'un sous-traitant de l'industrie a le potentiel de révolutionner la technologie de l'énergie solaire verte en augmentant l'efficacité, réduire les coûts, et offrir de nouvelles opportunités économiques, " dit Zimmerman.

"Jusqu'à l'avènement du dépôt sélectif par couche atomique (ALD), il n'a pas été possible de fabriquer des réseaux rectenna pratiques et reproductibles capables d'exploiter l'énergie solaire de l'infrarouge au visible, " dit Zimmerman. " L'ALD est une étape de traitement d'une importance vitale, rendant possible la création de ces dispositifs. Finalement, la fabrication, caractérisation, et la modélisation des réseaux rectenna proposés conduira à une meilleure compréhension des processus physiques sous-jacents à ces dispositifs, avec la promesse d'augmenter considérablement l'efficacité de la technologie de conversion de l'énergie solaire."

Le processus de dépôt de couche atomique est favorisé par la science et l'industrie car il est simple, facilement reproductible, et évolutif pour la production de masse. Willis dit que le processus chimique est déjà utilisé par des sociétés telles qu'Intel pour la microélectronique, et est particulièrement applicable pour précis, revêtements homogènes pour nanostructures, nanofils, nanotubes, et pour une utilisation dans la prochaine génération de semi-conducteurs et de transistors haute performance.

Willis dit que la méthode utilisée pour fabriquer des rectennas peut également être appliquée à d'autres domaines, dont la valorisation du photovoltaïque actuel (la conversion de la photo-énergie en énergie électrique), thermoélectrique, détection et imagerie infrarouge, et des capteurs chimiques.

Une subvention de démarrage de 2011 du Center for Clean Energy Engineering d'UConn a permis à Willis de fabriquer un prototype de rectenna et de recueillir des données préliminaires à l'aide d'ALD qui a joué un rôle déterminant dans l'obtention de la subvention NSF, dit Willis.

Au cours de l'année suivante, Willis et ses collaborateurs en Pennsylvanie prévoient de construire des prototypes de rectenna et de commencer à tester leur efficacité. Willis compare le processus à la syntonisation d'une station sur une radio.

"Nous avons déjà réalisé une première version de l'appareil, " dit Willis. " Maintenant, nous cherchons des moyens de modifier la rectenna afin qu'elle s'accorde mieux aux fréquences. Je le compare à l'époque où les téléviseurs s'appuyaient sur des antennes à oreilles de lapin pour la réception. Tout était un flou statique jusqu'à ce que vous déplaciez l'antenne et que vous voyiez le fantôme d'une image. Ensuite, vous avez continué à le déplacer jusqu'à ce que l'image soit plus claire. C'est ce que nous recherchons, ce fantôme d'une image. Une fois qu'on a ça, nous pouvons travailler pour le rendre plus robuste et reproductible."

Willis dit que trouver ce point magique où une rectenna capte le maximum d'énergie solaire et la rectifie en énergie électrique sera le champagne, moment "ah-ha" du projet.

"Pour capter les fréquences de la lumière visible, la rectenna doit devenir plus petite que tout ce que nous avons jamais fait auparavant, donc nous repoussons vraiment les limites de ce que nous pouvons faire, " dit Willis. " Et les jonctions tunnel doivent fonctionner à la vitesse de la lumière visible, nous poussons donc jusqu'à ces vitesses très élevées au point où la question devient « ces appareils peuvent-ils vraiment fonctionner à ce niveau ? » Théoriquement, nous savons que c'est possible, mais nous ne le saurons pas tant que nous n'aurons pas fabriqué et testé cet appareil."