新型納米線陣列：可提升太陽能電池的效率

導讀

據美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室官網近日報道，該實驗室的一項新研究表明，採用具有高透射率和高導電率的金屬納米線網格，可提升太陽能電池的效率。

背景

透明電極是太陽能電池與電子顯示屏的關鍵元件之一。

具有透明、柔性石墨烯電極的有機太陽能電池（圖片來源：MIT）

為了在太陽能電池中採集電力或者為顯示屏注入電流，你需要導電觸點，比如某種金屬，但是也需要能讓光線照射進來（對於太陽能電池來說）或者出去（對於顯示屏來說）。

因為金屬是不透明的，所以當前技術採用了金屬氧化物，最常見的是銦錫氧化物（一種近臨界的稀土金屬）作為導電觸點，可是這些稀土金屬的供應非常有限，並且價格十分昂貴。

創新

於是，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員開始研究有序的金屬納米線網格。它能夠提供高透射率（由於納米線的直徑較小），高導電率（由於網格中的觸點較多），並使用了更普通的元素。這項研究發表在《軟物質（Soft Matter）》期刊上。

（圖片來源：LLNL）

技術

納米線陣列也可以應用於光學超材料（通常是由金屬和電介質組成的複合材料），這種超材料具備自然界中沒有的獨特光學特性。例如，所有天然存在的材料都具有正折射率。然而，超材料通過人為設計可以擁有負折射率，這意味著光線通過這種材料的傳播方向與我們通常見到的方向相反。我們利用超材料可以製造出隱身裝置與超透鏡等結構。

隱身裝置（圖片來源：伯克利實驗室）

超透鏡（圖片來源：Capasso 實驗室 / Harvard SEAS）

因為光學超材料的微結構必須小於它們作用的波長，所以製造工作在可見光波長上的光學超材料需要的結構尺寸大約是100納米或者更小。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的材料科學家、該項目首席研究員 Anna Hiszpanski 表示：「我們已經演示了一種可擴展的方法，通過低於100納米的可調諧微結構，在平方厘米的面積上創造出金屬納米線陣列和網格。我們能夠實現的結構尺寸，與傳統納米加工技術製造出的結構尺寸相仿或者更小。並且，我們是在與現實世界應用相關的大得多的區域上實現這些結構。」

對於透明電極應用來說，這些小型金屬納米網格非常重要，因為它們微小的納米級直徑使得更多光線可以通過，然而陣列/網格的有序特性可以增迦納米線之間電氣觸點的數量，從而提高導電率。

（圖片來源：參考資料【1】）

Hiszpanski 表示：「排列納米線以增加線與線之間導電連接的數量，非常有必要，但卻難以完成。在其他研究小組展示過的嵌段共聚物自組裝行為的基礎上構造這些結構時，我們已經接受了這個挑戰，並創造出有序的金屬納米線網格。我們製造這些有序納米線網格所採用的自下而上的方案非常簡單，本質上可擴展到設備相關的領域。」

採用這些傳統超材料納米製造技術的普通樣本面積是100平方微米，但是團隊可以創造出面積超過平方厘米的納米圖案，這個面積要高出6個數量級。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的材料科學家、論文合著者 Yong Han 表示：「為了開始在實驗室之外和實際應用中使用這些超材料，很有必要採用覆蓋更大面積的製造方法。」

下一步就是提升金屬納米線網格的導電率。

關鍵字

超材料、納米線、太陽能電池

參考資料

【1】Timothy D. Yee et al. Fabrication and 3D tomographic characterization of nanowire arrays and meshes with tunable dimensions from shear-aligned block copolymers, Soft Matter (2019). DOI: 10.1039/C9SM00303G

【2】https://www.llnl.gov/news/nanowire-arrays-could-improve-solar-cells

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