Gennemsigtig, elektrisk ledende netværk af indkapslede sølv nanotråde

Elektroderne til forbindelser på "solsiden" af en solcelle skal ikke kun være elektrisk ledende, men også gennemsigtig. Som resultat, elektroder fremstilles i øjeblikket enten ved at bruge tynde strimler af sølv i form af et groft masket gitter, der er presset på en overflade, eller ved at påføre et gennemsigtigt lag af elektrisk ledende indiumtinoxid (ITO)-forbindelse. Ingen af ​​disse er ideelle løsninger, imidlertid. Dette skyldes, at sølv er et ædelmetal og relativt dyrt, og sølvpartikler med nanoskala dimensioner oxiderer særligt hurtigt; i mellemtiden, indium er et af de sjældneste grundstoffer på jordskorpen og vil sandsynligvis kun fortsætte med at være tilgængelig i et par år endnu.

Mesh af sølv nanotråde

Manuela Göbelt på holdet af prof. Silke Christiansen har nu udviklet en elegant ny løsning, der kun bruger en brøkdel af sølvet og helt uden indium til at producere en teknologisk spændende elektrode. Doktoranden lavede i første omgang en suspension af sølv nanotråde i ethanol ved hjælp af vådkemiteknikker. Hun overførte derefter denne suspension med en pipette til et substrat, i dette tilfælde en silicium solcelle. Efterhånden som opløsningsmidlet fordampes, sølv nanotrådene organiserer sig i et løst net, der forbliver gennemsigtigt, alligevel tæt nok til at danne uafbrudte strømveje.

Indkapsling af AZO-krystaller

Efterfølgende Göbelt brugte en atomisk lagaflejringsteknik til gradvist at påføre en coating af en højdoteret bredbåndshalvleder kendt som AZO. AZO består af zinkoxid, der er doteret med aluminium. Det er meget billigere end ITO og lige så gennemsigtigt, men ikke helt så elektrisk ledende. Denne proces fik små AZO-krystaller til at danne sig på sølv nanotrådene, omsluttede dem fuldstændigt, og udfyldte til sidst mellemrummene. Sølv nanotrådene, måler omkring 120 nanometer i diameter, blev dækket med et lag på omkring 100 nanometer AZO og indkapslet ved denne proces.

Kvalitetskort beregnet

Målinger af den elektriske ledningsevne viste, at den nyudviklede kompositelektrode er sammenlignelig med en konventionel sølvgitterelektrode. Imidlertid, dens ydeevne afhænger af, hvor godt nanotrådene er forbundet, som er en funktion af trådlængderne og koncentrationen af ​​sølv nanotråde i suspensionen. Forskerne var i stand til at specificere graden af ​​netværk på forhånd med computere. Ved hjælp af specialudviklede billedanalysealgoritmer, de kunne vurdere billeder taget med et scanningselektronmikroskop og forudsige elektrodernes elektriske ledningsevne ud fra dem.

"Vi undersøger, hvor en given kontinuerlig ledende bane af nanotråde afbrydes for at se, hvor netværket endnu ikke er optimalt", forklarer Ralf Keding. Selv med højtydende computere, det tog i starten stadig næsten fem dage at beregne et godt "kvalitetskort" over elektroden. Softwaren er nu ved at blive optimeret for at reducere beregningstiden. "Billedanalysen har givet os værdifulde ledetråde om, hvor vi skal koncentrere vores indsats for at øge elektrodens ydeevne, såsom øget netværk for at forbedre områder med dårlig dækning ved at ændre ledningslængderne eller ledningskoncentrationen i opløsning", siger Göbelt.

Praktisk alternativ til konventionelle elektroder

"Vi har udviklet en praktisk, omkostningseffektivt alternativ til konventionelle skærmtrykte gitterelektroder og til den almindelige ITO-type, der dog er truet af materielle flaskehalse", siger Christiansen, som leder Institute of Nanoarchitectures for Energy Conversion ved HZB og desuden leder et projektteam på Max Planck Institute for the Science of Light (MPL).

Kun en brøkdel af sølv, næsten ingen skyggeeffekter

De nye elektroder kan faktisk laves ved at bruge kun 0,3 gram sølv pr. mens konventionelle sølvgitterelektroder kræver tættere på mellem 15 og 20 gram sølv. Ud over, den nye elektrode kaster en betydeligt mindre skygge på solcellen. "Netværket af sølv nanotråde er så fint, at næsten intet lys til solenergikonvertering går tabt i cellen på grund af skyggen", forklarer Göbelt. Tværtimod, hun håber, at "det måske endda er muligt for sølvnanotrådene at sprede lys ind i solcelleabsorberne på en kontrolleret måde gennem det, der er kendt som plasmoniske effekter."