Lưới dây nano kim loại tăng hiệu suất pin điện mặt trời

Tìm kiếm một siêu vật liệu

Silicon là vật liệu bán dẫn quan trọng nhất cho pin mặt trời và màn hình điện tử. Nhưng để thu được điện từ pin mặt trời hoặc cung cấp điện cho màn hình, cần sử dụng các chi tiết tiếp xúc dẫn điện tương tự kim loại, nhưng phải cho phép ánh sáng đi qua trong khối silicon.

Năng lực tiêu thụ các vật liệu hiếm chế tạo pin mặt trời như indium, gallium, tellurium và selenium trên thế giới vượt quá sản lượng sản xuất hàng năm. Trong dạng vật chất oxit thiếc indium, vật liệu này được sử dụng để chế tạo màn hình tinh thể lỏng và OLED; gallium và indium cũng là vật liệu cần thiết để sản xuất đèn LED.

Các kỹ thuật hiện nay sử dụng oxit kim loại, thường là oxit thiếc indium làm chi tiết tiếp xúc dẫn điện. Do nguồn cung của kim loại đất hiếm này rất hạn chế, các nhà nghiên cứu Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) đã quyết định tìm kiếm một siêu vật liệu (vật liệu siêu dẫn).

Siêu vật liệu là vật chất tổng hợp từ kim loại và chất điện môi, có tính chất quang học độc đáo, không có trong tự nhiên. Các nhà nghiên cứu quyết định dùng các lưới dây nano kim loại cung cấp khả năng truyền dẫn cao những kết nối điện, sử dụng các thành phần vật chất phổ biến hơn để chế tạo siêu vật liệu.

Các mảng dây nano cũng có các đặc trưng của siêu vật liệu quang học - vật liệu tổng hợp được làm bằng kim loại và điện môi. Ví dụ, tất cả các vật liệu tự nhiên có chỉ số khúc xạ dương. Nhưng siêu vật liệu có thể được thiết kế để có chỉ số khúc xạ âm, có nghĩa là ánh sáng truyền qua vật liệu này sẽ ngược lại với những gì thường thấy, điều đó có thể tạo ra các cấu trúc che giấu thiết bị và thấu kính lý tưởng.

Chỉ số khúc xạ dương và chỉ số khúc xạ âm, cho phép tập trung năng lượng ánh sáng.

Do có được tính chất này, các siêu vật liệu quang điện sử dụng lớp mảng dây nano có thể tăng khả năng truyền dẫn điện, từ đó tăng hiệu quả của các in điện mặt trời.

Sản xuất các siêu vật liệu quang điện

Do cấu trúc của siêu vật liệu quang phải nhỏ hơn bước sóng ánh sáng truyền dẫn, chế tạo siêu vật liệu quang hoạt động ở bước sóng khả kiến đòi hỏi cấu trúc đặc chưng vào khoảng 100 nanomet hoặc nhỏ hơn.

Lưới nano kim loại của siêu vật liệu

Nhà khoa học vật liệu của LLNL, bà Anna Hiszpanski, cho biết “Chúng tôi giới thiệu một phương pháp có thể mở rộng khả năng chế tạo ra các mảng dây nano kim loại và các mắt lưới trên vật liệu có diện tích cỡ xentimet vuông với các kích thước hình học mắt lưới dưới 100 nanomet hoặc nhỏ hơn.

Chúng tôi có thể chế tạo được những siêu vật liệu kích thước tương đương hoặc nhỏ hơn nhiều với những gì các kỹ thuật nano truyền thống có thể sản xuất được và trải rộng trên một diện tích lớn hơn nhiều trong các ứng dụng thực tế”.

Đối với những ứng dụng của điện cực trong suốt, sử dụng các lưới dây nano kim loại nhỏ có ý nghĩa vô cùng quan trọng do đường kính của dây kim loại có kích thước nanomet cho phép nhiều ánh sáng đi qua, cùng lúc sự sắp xếp trật tự của các mảng lưới làm tăng số lượng tiếp xúc điện giữa các dây nano, tăng độ dẫn của lưới.

Điểm chung của các cỡ mẫu phổ biến khi sử dụng những kỹ thuật chế tạo nano cho siêu vật liệu nằm trong khoảng 100 micron (0.1 mm), nhưng nhóm nghiên cứu có thể tạo ra các mô hình nano dài hơn một cm. Theo nhóm nghiên cứu, bước tiếp theo là tăng cường độ dẫn điện của lưới dây nano kim loại.