De elektroden voor aansluitingen aan de "zonzijde" van een zonnecel moeten niet alleen elektrisch geleidend zijn, maar ook transparant. Als resultaat, elektroden worden momenteel gemaakt door dunne reepjes zilver te gebruiken in de vorm van een grofmazig rooster dat op een oppervlak wordt geveegd, of door een transparante laag elektrisch geleidende indiumtinoxide (ITO) verbinding aan te brengen. Geen van beide zijn ideale oplossingen, echter. Zilver is namelijk een edelmetaal en relatief duur, en zilverdeeltjes met afmetingen op nanoschaal oxideren bijzonder snel; In de tussentijd, indium is een van de zeldzaamste elementen op aardkorst en zal waarschijnlijk nog maar een paar jaar beschikbaar blijven.

Mesh van zilveren nanodraden

Manuela Göbelt van het team van Prof. Silke Christiansen heeft nu een elegante nieuwe oplossing ontwikkeld die slechts een fractie van het zilver gebruikt en volledig vrij is van indium om een ​​technologisch intrigerende elektrode te produceren. De promovendus maakte in eerste instantie een suspensie van zilveren nanodraden in ethanol met behulp van natchemische technieken. Vervolgens bracht ze deze suspensie met een pipet over op een substraat, in dit geval een silicium zonnecel. Als het oplosmiddel verdampt, de zilveren nanodraden organiseren zich in een los gaas dat transparant blijft, maar toch dicht genoeg om ononderbroken stroompaden te vormen.

Inkapseling door AZO-kristallen

Vervolgens, Göbelt gebruikte een atomaire laagafzettingstechniek om geleidelijk een coating aan te brengen van een sterk gedoteerde halfgeleider met brede bandgap die bekend staat als AZO. AZO bestaat uit zinkoxide dat is gedoteerd met aluminium. Het is veel goedkoper dan ITO en net zo transparant, maar niet zo elektrisch geleidend. Dit proces veroorzaakte de vorming van kleine AZO-kristallen op de zilveren nanodraden, omhulde ze volledig, en ten slotte de tussenruimten opgevuld. De zilveren nanodraden, met een diameter van ongeveer 120 nanometer, werden bedekt met een laag van ongeveer 100 nanometer AZO en ingekapseld door dit proces.

Kwaliteitskaart berekend

Metingen van de elektrische geleidbaarheid toonden aan dat de nieuw ontwikkelde composietelektrode vergelijkbaar is met een conventionele zilverrasterelektrode. Echter, de prestaties zijn afhankelijk van hoe goed de nanodraden met elkaar zijn verbonden, wat een functie is van de draadlengtes en de concentratie van zilveren nanodraden in de suspensie. De wetenschappers konden vooraf de mate van netwerken met computers specificeren. Met behulp van speciaal ontwikkelde algoritmen voor beeldanalyse, ze konden beelden die met een scanning-elektronenmicroscoop waren genomen evalueren en de elektrische geleidbaarheid van de elektroden ervan voorspellen.

"We onderzoeken waar een bepaald continu geleidend pad van nanodraden wordt onderbroken om te zien waar het netwerk nog niet optimaal is", legt Ralf Keding uit. Zelfs met krachtige computers, het duurde aanvankelijk nog bijna vijf dagen om een ​​goede "kwaliteitskaart" van de elektrode te berekenen. De software wordt nu geoptimaliseerd om de rekentijd te verminderen. "De beeldanalyse heeft ons waardevolle aanwijzingen gegeven over waar we onze inspanningen moeten concentreren om de prestaties van de elektrode te verbeteren, zoals meer netwerken om gebieden met een slechte dekking te verbeteren door de draadlengtes of de draadconcentratie in de oplossing te veranderen", zegt Göbelt.

Praktisch alternatief voor conventionele elektroden

“We hebben een praktische, kosteneffectief alternatief voor conventionele gezeefdrukte roosterelektroden en voor het gangbare ITO-type dat echter wordt bedreigd door materiële knelpunten", zegt Christiansen, die aan het hoofd staat van het Institute of Nanoarchitectures for Energy Conversion bij HZB en daarnaast een projectteam leidt bij het Max Planck Institute for the Science of Light (MPL).

Slechts een fractie van zilver, bijna geen schaduweffecten

De nieuwe elektroden kunnen daadwerkelijk worden gemaakt met slechts 0,3 gram zilver per vierkante meter, terwijl conventionele zilverrasterelektroden dichter bij 15 tot 20 gram zilver nodig hebben. In aanvulling, de nieuwe elektrode werpt een aanzienlijk kleinere schaduw op de zonnecel. "Het netwerk van zilveren nanodraden is zo fijn dat er door de schaduw bijna geen licht voor de omzetting van zonne-energie in de cel verloren gaat", legt Göbelt uit. Integendeel, ze hoopt dat "het misschien zelfs mogelijk is dat de zilveren nanodraden licht op een gecontroleerde manier in de zonnecelabsorbeerders verstrooien door middel van zogenaamde plasmonische effecten."