Onderzoekers van AMOLF's 3-D-Photovoltaics-groep hebben een atoomkrachtmicroscoop gebruikt om elektrochemisch op nanoschaal te printen. Deze techniek kan structuren voor een nieuwe generatie zonnecellen op chips printen. De onderzoekers publiceerden hun resultaten vandaag in het online tijdschrift nanoschaal .

De koperen clusters op het oppervlak van de gouden plaat vormen de letters AMOLF (zie afbeelding). Deze zijn onzichtbaar voor het blote oog, omdat de letters maar een paar honderd nanometer groot zijn. Echter, het beeld is duidelijk zichtbaar door de microscoop waarmee de letters zijn geschreven. Mark Aarts, doctoraat student in de groep 3D-Photovoltaics, gebruikte deze atomic force microscope (AFM) om opgeloste koperionen te manipuleren om deze letters te vormen.

Hij kan de techniek gebruiken om elke gewenste vorm op een oppervlak te tekenen. De techniek is geschikt voor de productie van een nieuwe generatie zonnecellen met nano-architectuur, die zonlicht opvangen in verticale nanostructuren zoals draden, kegels of misschien zelfs boomvormige elementen. Groepsleider Esther Alarcón zegt:"In traditionele zonnecellen, het licht valt op de bovenste horizontale laag; het wordt donkerder naarmate de diepte in het materiaal toeneemt. Bij 3D-zonnecellen, in plaats van alleen de bovenste laag, het hele volume van het materiaal is actief." Een van de uitdagingen is het ontwikkelen van een nieuwe techniek om met behulp van elektrochemische processen nanodraden van onderaf te produceren in plaats van ze uit een groter stuk materiaal te knippen. Dat is precies wat Aarts is werken aan.

Tekenen met koper

Schoolkinderen kunnen een eenvoudige elektrochemische reactie uitvoeren met een helderblauwe oplossing van kopersulfaat in een glas en twee paperclips als elektroden. Als er spanning op de paperclips wordt gezet, koperafzettingen op een van hen.

Hetzelfde gebeurt op nanoschaal in de AFM. Een kleine platina naald, 50 nanometer in diameter, beweegt over een oppervlak zoals de naald van een platenspeler die over een plaat beweegt. In dit experiment, deze tip werkt als één paperclip, en een kleine gouden plaat (of de chip) waarop de structuur is getekend, fungeert als de andere paperclip. De hele opstelling is gesuspendeerd in een kopersulfaatoplossing. Wanneer er een spanning over de elektroden wordt aangelegd, koper zet zich af waar de punt zich op het gouden oppervlak bevindt. Als de punt wordt verplaatst, dan zet het koper zich iets verder naar boven af. Met deze aanpak, een patroon kan elektrochemisch op een chip worden getekend met behulp van een AFM.

Dubbele laag

Al snel werd duidelijk dat het elektrochemische proces op nanoschaal niet op dezelfde manier verliep als op keukentafelschaal. Bijvoorbeeld, tot zijn verrassing, Aarts zag dat bij lagere concentraties van de kopersulfaatoplossing meer koper op het oppervlak werd afgezet. Bij hoge concentraties, schrijven was onmogelijk.

Echter, op het oppervlak tikken met de AFM-tip werkte goed. Dat was nodig want zonder dit tikken, er werd geen koper gevormd. Hieraan ligt een fundamenteel proces ten grondslag, Aarts legt uit. "Er vormt zich altijd een laag met de tegenovergestelde lading rond een geladen elektrode. Deze 'dubbele laag' vormt zich ook rond onze AFM-tip en de gouden elektrode, en dat voorkomt dat de koperreactie plaatsvindt. Dat is verrassend, want aan de keukentafel weegschaal, de dubbele laag is wat de reactie vergemakkelijkt. Door met de punt op het oppervlak te tikken, de dubbele laag is gebroken, waardoor de reactie plaatselijk kan plaatsvinden."

Aarts is blij met de succesvolle productie van 3D-patronen met behulp van een AFM en een elektrochemische reactie. Het concentratie-effect en de noodzaak om te tappen zijn nog nooit eerder waargenomen, zegt de onderzoeker. "De dubbele laag is een van de belangrijkste fenomenen in de elektrochemie, maar we begrijpen het nog niet helemaal. Deze kennis kan van belang zijn voor de ontwikkeling van verbeterde batterijen of elektrokatalyse."

De structuren die Aarts nu tekent zijn zo'n 50 nanometer groot, want dat is de afmeting van de AFM-tip. Echter, kleiner zou beter zijn. "We denken dat we gemakkelijk een kleinere punt kunnen gebruiken om nog kleinere structuren te tekenen."

De droom van de onderzoekers is om met deze techniek zonnecellen te maken. Hiervoor zullen de constructies hoger moeten zijn. "Het gecontroleerd ophogen van de hoogte is nog moeilijk, " zegt Aarts, en daar werken de onderzoekers aan. uiteindelijk, de productie van zonnecellen vereist constructies die zijn opgebouwd uit verschillende materialen, zoals gallium en arsenide, die samen de beste zonnecellen vormen. "Met elektrochemie, we kunnen materialen gemakkelijk gelijktijdig of in volgorde aanbrengen. Binnen de groep onderzoeken we ook deze processen, en we hopen dat in de toekomst allemaal te kunnen combineren."