導(dǎo)讀

據(jù)美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室官網(wǎng)近日報道，該實驗室的一項新研究表明，采用具有高透射率和高導(dǎo)電率的金屬納米線網(wǎng)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(guān)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采集電力或者為顯示屏注入電流，你需要導(dǎo)電觸點，比如某種金屬，但是也需要能讓光線照射進來（對于太陽能電池來說）或者出去（對于顯示屏來說）。

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

創(chuàng)新

于是，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(wǎng)格。它能夠提供高透射率（由于納米線的直徑較小），高導(dǎo)電率（由于網(wǎng)格中的觸點較多），并使用了更普通的元素。這項研究發(fā)表在《軟物質(zhì)（Soft Matter）》期刊上。

（圖片來源：LLNL）

技術(shù)

納米線陣列也可以應(yīng)用于光學(xué)超材料（通常是由金屬和電介質(zhì)組成的復(fù)合材料），這種超材料具備自然界中沒有的獨特光學(xué)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(shè)計可以擁有負(fù)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制造出隱身裝置與超透鏡等結(jié)構(gòu)。

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(xué)超材料的微結(jié)構(gòu)必須小于它們作用的波長，所以制造工作在可見光波長上的光學(xué)超材料需要的結(jié)構(gòu)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(xué)家、該項目首席研究員 Anna Hiszpanski 表示：“我們已經(jīng)演示了一種可擴展的方法，通過低于100納米的可調(diào)諧微結(jié)構(gòu)，在平方厘米的面積上創(chuàng)造出金屬納米線陣列和網(wǎng)格。我們能夠?qū)崿F(xiàn)的結(jié)構(gòu)尺寸，與傳統(tǒng)納米加工技術(shù)制造出的結(jié)構(gòu)尺寸相仿或者更小。并且，我們是在與現(xiàn)實世界應(yīng)用相關(guān)的大得多的區(qū)域上實現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)。”

對于透明電極應(yīng)用來說，這些小型金屬納米網(wǎng)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(wǎng)格的有序特性可以增加納米線之間電氣觸點的數(shù)量，從而提高導(dǎo)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(dǎo)電連接的數(shù)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(chǔ)上構(gòu)造這些結(jié)構(gòu)時，我們已經(jīng)接受了這個挑戰(zhàn)，并創(chuàng)造出有序的金屬納米線網(wǎng)格。我們制造這些有序納米線網(wǎng)格所采用的自下而上的方案非常簡單，本質(zhì)上可擴展到設(shè)備相關(guān)的領(lǐng)域。”

采用這些傳統(tǒng)超材料納米制造技術(shù)的普通樣本面積是100平方微米，但是團隊可以創(chuàng)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(shù)量級。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的材料科學(xué)家、論文合著者 Yong Han 表示：“為了開始在實驗室之外和實際應(yīng)用中使用這些超材料，很有必要采用覆蓋更大面積的制造方法。”

下一步就是提升金屬納米線網(wǎng)格的導(dǎo)電率。