金属纳米线网格，可提升太阳能电池的效率

导读

据美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室官网近日报道，该实验室的一项新研究表明，采用具有高透射率和高导电率的金属纳米线网格，可提升太阳能电池的效率。

背景

透明电极是太阳能电池与电子显示屏的关键元件之一。

具有透明、柔性石墨烯电极的有机太阳能电池（图片来源：MIT）

为了在太阳能电池中采集电力或者为显示屏注入电流，你需要导电触点，比如某种金属，但是也需要能让光线照射进来（对于太阳能电池来说）或者出去（对于显示屏来说）。

因为金属是不透明的，所以当前技术采用了金属氧化物，最常见的是铟锡氧化物（一种近临界的稀土金属）作为导电触点，可是这些稀土金属的供应非常有限，并且价格十分昂贵。

创新

于是，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员开始研究有序的金属纳米线网格。它能够提供高透射率（由于纳米线的直径较小），高导电率（由于网格中的触点较多），并使用了更普通的元素。这项研究发表在《软物质（Soft Matter）》期刊上。

（图片来源：LLNL）

技术

纳米线阵列也可以应用于光学超材料（通常是由金属和电介质组成的复合材料），这种超材料具备自然界中没有的独特光学特性。例如，所有天然存在的材料都具有正折射率。然而，超材料通过人为设计可以拥有负折射率，这意味着光线通过这种材料的传播方向与我们通常见到的方向相反。我们利用超材料可以制造出隐身装置与超透镜等结构。

隐身装置（图片来源：伯克利实验室）

超透镜（图片来源：Capasso 实验室 / Harvard SEAS）

因为光学超材料的微结构必须小于它们作用的波长，所以制造工作在可见光波长上的光学超材料需要的结构尺寸大约是100纳米或者更小。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的材料科学家、该项目首席研究员 Anna Hiszpanski 表示：“我们已经演示了一种可扩展的方法，通过低于100纳米的可调谐微结构，在平方厘米的面积上创造出金属纳米线阵列和网格。我们能够实现的结构尺寸，与传统纳米加工技术制造出的结构尺寸相仿或者更小。并且，我们是在与现实世界应用相关的大得多的区域上实现这些结构。”

对于透明电极应用来说，这些小型金属纳米网格非常重要，因为它们微小的纳米级直径使得更多光线可以通过，然而阵列/网格的有序特性可以增加纳米线之间电气触点的数量，从而提高导电率。

（图片来源：参考资料【1】）

Hiszpanski 表示：“排列纳米线以增加线与线之间导电连接的数量，非常有必要，但却难以完成。在其他研究小组展示过的嵌段共聚物自组装行为的基础上构造这些结构时，我们已经接受了这个挑战，并创造出有序的金属纳米线网格。我们制造这些有序纳米线网格所采用的自下而上的方案非常简单，本质上可扩展到设备相关的领域。”

采用这些传统超材料纳米制造技术的普通样本面积是100平方微米，但是团队可以创造出面积超过平方厘米的纳米图案，这个面积要高出6个数量级。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的材料科学家、论文合著者 Yong Han 表示：“为了开始在实验室之外和实际应用中使用这些超材料，很有必要采用覆盖更大面积的制造方法。”

下一步就是提升金属纳米线网格的导电率。