Anzeige
The technology, developed at the U.S. Department of Energy's Idaho National Laboratory, is the first step toward a solar energy collector that could be mass-produced on flexible materials.
While methods to convert the energy into usable electricity still need to be developed, the sheets could one day be manufactured as lightweight "skins" that power everything from hybrid cars to iPods with higher efficiency than traditional solar cells, say the researchers, who report their findings Aug. 13 at the American Society of Mechanical Engineers 2008 2nd International Conference on Energy Sustainability in Jacksonville, Fla. The nanoantennas also have the potential to act as cooling devices that draw waste heat from buildings or electronics without using electricity.
The nanoantennas target mid-infrared rays, which the Earth continuously radiates as heat after absorbing energy from the sun during the day. In contrast, traditional solar cells can only use visible light, rendering them idle after dark. Infrared radiation is an especially rich energy source because it also is generated by industrial processes such as coal-fired plants.
"Every process in our industrial world creates waste heat," says INL physicist Steven Novack. "It's energy that we just throw away." Novack led the research team, which included INL engineer Dale Kotter, W. Dennis Slafer of MicroContinuum, Inc. (Cambridge, Mass.) and Patrick Pinhero, now at the University of Missouri.
The nanoantennas are tiny gold squares or spirals set in a specially treated form of polyethylene, a material used in plastic bags. While others have successfully invented antennas that collect energy from lower-frequency regions of the electromagnetic spectrum, such as microwaves, infrared rays have proven more elusive. Part of the reason is that materials' properties change drastically at high-frequency wavelengths, Kotter says.
The researchers studied the behavior of various materials -- including gold, manganese and copper -- under infrared rays and used the resulting data to build computer models of nanoantennas. They found that with the right materials, shape and size, the simulated nanoantennas could harvest up to 92 percent of the energy at infrared wavelengths.
The team then created real-life prototypes to test their computer models. First, they used conventional production methods to etch a silicon wafer with the nanoantenna pattern. The silicon-based nanoantennas matched the computer simulations, absorbing more than 80 percent of the energy over the intended wavelength range. Next, they used a stamp-and-repeat process to emboss the nanoantennas on thin sheets of plastic. While the plastic prototype is still being tested, initial experiments suggest that it also captures energy at the expected infrared wavelengths.
The nanoantennas' ability to absorb infrared radiation makes them promising cooling devices. Since objects give off heat as infrared rays, the nanoantennas could collect those rays and re-emit the energy at harmless wavelengths. Such a system could cool down buildings and computers without the external power source required by air-conditioners and fans.
But more technological advances are needed before the nanoantennas can funnel their energy into usable electricity. The infrared rays create alternating currents in the nanoantennas that oscillate trillions of times per second, requiring a component called a rectifier to convert the alternating current to direct current. Today's rectifiers can't handle such high frequencies. "We need to design nanorectifiers that go with our nanoantennas," says Kotter, noting that a nanoscale rectifier would need to be about 1,000 times smaller than current commercial devices and will require new manufacturing methods. Another possibility is to develop electrical circuitry that might slow down the current to usable frequencies.
If these technical hurdles can be overcome, nanoantennas have the potential to be a cheaper, more efficient alternative to solar cells. Traditional solar cells rely on a chemical reaction that only works for up to 20 percent of the visible light they collect. Scientists have developed more complex solar cells with higher efficiency, but these models are too expensive for widespread use.
Nanoantennas, on the other hand, can be tweaked to pick up specific wavelengths depending on their shape and size. This flexibility would make it possible to create double-sided nanoantenna sheets that harvest energy from different parts of the sun's spectrum, Novack says. The team's stamp-and-repeat process could also be extended to large-scale roll-to-roll manufacturing techniques that could print the arrays at a rate of several yards per minute. The sheets could potentially cover building roofs or form the "skin" of consumer gadgets like cell phones and iPods, providing a continuous and inexpensive source of renewable energy.
Roberta Kwok | Quelle: EurekAlert!
Weitere Informationen: www.inl.gov
Weitere Berichte zu: air-conditioners > cooling devices > high-frequency wavelengths > iPods > microwaves > mid-infrared rays > nanoantennas > renewable energy > solar cells > usable electricity
„All4Green“ – Rechnen, wenn der Wind bläst
24.05.2012 | Universität Mannheim
Komplexität beherrschen
23.05.2012 | Siemens AG
Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und bestimmte Krebsformen gehen auf eine fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen im Körper zurück.
Wissenschaftlern des Instituts für Photonische Technologien (IPHT) in Jena ist es erstmals gelungen, Proteinstrukturen auf sub-molekularer Ebene nachzuweisen und spektroskopisch zu analysieren. Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Krankheitsursachen.
„Bis heute hat man nicht genau verstanden, was die fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Alzheimer, ...
Die Quantenphysik beschreibt physikalische Vorgänge in Festkörpern und anderen Vielteilchensystemen auch mit Hilfe von Quasiteilchen.
Innsbrucker Physikern um Rudolf Grimm ist es nun erstmals gelungen, ein neues Quasiteilchen - ein repulsives Polaron - in einem Quantengas experimentell zu erzeugen. Die Forscher berichten darüber in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.
Ultrakalte Quantengase sind ein ideales Experimentierfeld, um physikalische Phänomene in Festkörpern zu simulieren. Unter streng kontrollierten Bedingungen ...
Licht lässt die Partikel in der Atmosphäre wachsen. In einem Experiment hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Mechanismus nachweisen können, bei dem Partikel durch Licht größer werden und der damit Einfluss auf die Wolkenbildung und das Klima hat.
Photokatalytische Reaktionen können zu einer schnellen Bindung von nicht kondensierenden flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen (VOCs) auf der Oberfläche der Partikel führen. Unter solchen Bedingungen nehme die Größe und Masse der Partikel schnell zu, schreiben die Wissenschaftler im renommierten Fachblatt PNAS.
Die Ergebnisse des Laborexperimentes könnten Effekte erklären, die bisher schon bei Feldkampagnen ...
Ähnlich wie blutsaugende Insekten prüfen Pflanzenschädlinge ihren Wirt auf Abwehrsignale, bevor sie anfangen zu fressen
Pflanzen bilden wenige Minuten nach Angriff eines Fraßfeindes Jasmonsäure, ein Hormon, das die Verteidigung gegen Insekten in Gange setzt mit der Folge, dass giftige Stoffe wie Nikotin oder Verdauungshemmer in den Blättern akkumulieren.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, haben jetzt herausgefunden, dass Zwergzikaden die Verteidigungsbereitschaft von Tabakpflanzen aufspüren können. ...
Wissenschaftlern vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist es erstmals gelungen, den Transport eines wichtigen Informationsträgers in biologischen Zellen praktisch unmodifiziert in Echtzeit zu filmen.
Die Studie zeigt, wie die so genannte Boten-RNA die Zellkernhülle überwindet und vom Zellkern in das Zytoplasma gelangt. Diese Arbeit ist nun in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert.
Der Bauplan aller Lebewesen ist in ihrem Erbgut gespeichert. Dieses lagert bei höheren ...
Anzeige
Anzeige

Energieversorger vor dem Umbruch
24.05.2012 | Studien Analysen
Stem-cell-growing surface enables bone repair
24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie
Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit
24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie
NieKE Themenforum: Ökonomie - Tierschutz - Lebensmittelsicherheit
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Nachhaltigkeit in der Schifffahrt: Werte vs. Wertschöpfung
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Wissenschaft und Öffentlichkeit
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten