Мириады наноантенн переправят в сеть ночной жар Земли

О тонких и гибких солнечных батареях за последние годы нам приходилось слышать не раз. Красота новой разработки состоит в том, что для преобразования света в ток здесь использован не фотоэлектрический эффект, а совсем другой процесс, а ещё — эта панель обещает оказаться самой дешёвой в производстве из всех ранее созданных. И притом — эффективной.

Исследователи из национальной лаборатории Айдахо (Idaho National Laboratory — INL) в сотрудничестве со специалистами из американской компании MicroContinuum и университета Миссури (University of Missouri) создали удивительный прототип солнечной батареи, за которую получили в прошлом году престижную премию Nano 50.

В лист 50 лучших инноваций года в области нанотехнологий вошли решётки из наноантенн, отпечатанные на тонкой и гибкой подложке.

Надо сказать, что различные проводящие "узоры" нано— и микрометрового размера на подложке из изолятора люди научились воспроизводить не вчера. Однако новизна подхода учёных из INL заключается в том, что они намерены при помощи таких хитроумных "завитков" получать электричество.

О том, что для электромагнитных волн видимого диапазона можно строить антенны наподобие радиоантенн (только в соответствующем масштабе), учёные знают сравнительно давно. О первой такой работе мы рассказывали. А вот исследователи из INL повторили аналогичный трюк для инфракрасного излучения.

Экспериментаторы пишут, что каждая такая спираль имеет поперечник в 1/25 диаметра человеческого волоса (то есть получается, что диаметр антенны составляет порядка 2-4 микрометров). Это сопоставимо с длинами волн инфракрасной части спектра.

Падение ИК-лучей на такую спираль наводит в ней напряжение. Авторы проекта говорят, что сама идея получения тока от света не за счёт фотоэффекта, а по принципу металлической антенны — не нова. Загвоздка в том, как реализовать этот принцип на практике.

Это непросто. К примеру, огромное количество антенн, плотно упакованных на подложке, при приёме волн создают поля, влияющие на соседние антенны и вообще — на материалы устройства.

Чтобы понять, как будет работать большая плёнка с "армией" антенн на ней, учёные разработали компьютерные модели, предсказывающие свойства отдельных спиралей и также рассчитывающие резонансные процессы в сложной системе из миллиардов таких элементов. Сейчас, меняя в компьютере геометрию антенн и их материал, американские экспериментаторы подбирают самые оптимальные параметры батареи для "сбора солнечного урожая".

Ещё надо отметить, что напряжение в каждой такой антенне — переменное, и его частота очень велика (в показанном прототипе — десять терагерц). Как преобразовать такое напряжение в постоянное — большой вопрос. Физики ещё думают над различными способами решения данной проблемы, например, над возможностью одновременной печати рядом с наноантеннами миллионов же микроскопических конденсаторов и специальных "высокоскоростных" диодов.

И пусть найти хороший способ преобразования переменного тока будет непросто, зато, по оценке INL, каждая наноантенна может обращать в электричество целых 80% доступной ей световой энергии.

Не вполне ясно, как именно считали создатели устройства его эффективность. Ведь на инфракрасную часть спектра излучения приходится примерно 45% общей энергии, которую несут лучи Солнца. Если считать, что показанные антенны преобразуют в ток 80% от энергии именно ИК-лучей, получится, что КПД такой солнечной батареи составит 36% или даже несколько меньше, в зависимости от плотности печати антенн на подложке.

Но и это — прекрасный показатель, пусть теперь уже и не рекорд. Массовые солнечные батареи до такого уровня эффективности ещё не добрались.

А ведь преимущество новой разработки перед классическими солнечными батареями одним КПД не ограничивается.

Во-первых, утверждают авторы исследования, такая батарея сможет выдавать ток даже ночью.

Нет, речь вовсе не идёт о сборе света звёзд или Луны (заметим, очень слабого по сравнению с прямым солнечным, к тому же исчезающего в облачную погоду), а об утилизации других волн. Это ИК-лучи, которые производит ночью земля, а также здания, асфальтовые дороги и площади, нагретые за день солнечными лучами.

Как поясняют разработчики в пресс-релизе лаборатории, в течение нескольких часов после захода Солнца земля выдаёт приличное количество энергии в виде инфракрасного излучения. Это и позволяет продлить работу новых батарей куда дольше светового дня.

Ну а во-вторых, плёнка с наноантеннами гораздо дешевле классических солнечных батарей

Учёные также отмечают, что обычно изделия, созданные с применением нанотехнологий, обладают поперечником в считанные сантиметры. А для своего "поля наноантенн" его изобретатели разработали специальную технологию, позволяющую выпускать изделия (полимерную плёнку со столь сложным по рисунку нанопокрытием) метрового масштаба.

Забавно, что для создания опытного образца такой экзотической солнечной батареи новаторы из INL воспользовались полиэтиленовым мешком, в котором в лабораторию привезли пачку The Wall Street Journal. Эта плёнка оказалась как раз подходящей толщины.

Так что в качестве основы для новых панелей можно применять вторсырьё или просто недорогую плёнку, пусть и новую. Что до металла, то его расход ничтожен — толщина узорного проводящего покрытия в новой батарее составляет всего тысячу атомов.

Изобретатели панели считают, что в будущем на гибкой плёнке можно будет печатать сразу несколько типов преобразователей. Причём с двух сторон. Таким образом, солнечные батареи будущего смогут преобразовывать в ток широкий спектр излучения, как идущего от Солнца напрямую, так и отражённого от земли, а ещё и излучение, выдаваемое грунтом и асфальтом ночью.

Заметим, не первый раз исследователи пробуют поднять КПД превращения солнечного света в электричество и снизить стоимость солнечной энергии, придумывая экзотические варианты генераторов (как, например, в этом любопытном проекте термоэлектрического солнечного генератора без подвижных частей).

Какой вариант окажется самым жизнеспособным, предсказать сложно. Сами учёные из INL утверждают, что им потребуется всего несколько лет для того, чтобы довести идею, заложенную в технологии ИК-наноантенн, до промышленной реализации и вывода на рынок.