Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Transparentes, leitfähiges Netz aus verkapselten Silbernanodrähten

31.07.2015

Eine neuartige flexible Elektrode für die Optoelektronik

Ein Team um Silke Christiansen hat eine transparente, hochleitfähige Elektrode für Solarzellen und andere optoelektronische Bauelemente entwickelt, die mit minimalem Materialaufwand auskommt.


Manuela Göbelt kann die lokale Vernetzung aus REM-Aufnahmen der Elektrode am Rechner ermitteln.

Foto: Björn Hoffmann.

Sie besteht aus einem ungeordneten Netz aus Silbernanodrähten, das mit Aluminum-dotiertem Zinkoxid beschichtet ist. Die neuartige Elektrode benötigt knapp 70mal weniger Silber als konventionelle Silber-Gitterelektroden, besitzt aber eine vergleichbar gute Leitfähigkeit.

Kontaktelektroden an der „Sonnenseite“ einer Solarzelle müssen nicht nur leitfähig sein, sondern auch transparent. Aktuell werden daher entweder Elektroden aus dünnen Silberstreifen in Form eines grobmaschigen Gitters aufgerakelt oder eine transparente Schicht eines leitfähigen Indium-Zinn-Oxides (ITO) aufgebracht.

Beides sind jedoch noch keine Ideallösungen. Denn Silber ist als Edelmetall verhältnismäßig teuer und oxidiert insbesondere als Nanopartikel besonders schnell und Indium zählt sogar zu den seltenen Elementen, die voraussichtlich nur noch wenige Jahre zur Verfügung stehen.

Gewirk aus Silbernanodrähten

Nun hat Manuela Göbelt aus dem Team um Prof. Dr. Silke Christiansen eine raffinierte, neue Lösung entwickelt, um mit einem Bruchteil des Silbers und ganz ohne Indium eine technologisch interessante Elektrode herzustellen. Die Doktorandin hat dafür zunächst mit nasschemischen Verfahren Silbernanodrähte in einer Ethanol-Suspension hergestellt.

Mit einer Pipette tropfte sie diese Suspension auf ein Substrat, zum Beispiel eine Silizium-Solarzelle. Beim Verdampfen des Lösungsmittels organisieren sich die Nanodrähte aus Silber zu einem losen Gewirk, das transparent bleibt, dabei aber dicht genug ist, um durchgehende Strompfade zu bilden.

Einkapselung in AZO

Anschließend brachte Manuela Göbelt mit einem von ihr optimierten Atomlagenabscheideverfahren Schritt für Schritt eine Schicht eines hochdotierten Halbleiters, das sogenannte AZO, auf. AZO besteht aus Zinkoxid, das mit Aluminium dotiert ist und besitzt eine große Bandlücke.

Es ist viel billiger als ITO und ebenso transparent, allerdings nicht ganz so leitfähig. Dabei bildeten sich auf den Silbernanodrähten winzige AZO-Kristallite aus, die schließlich die Nanodrähte perfekt umhüllten und Zwischenräume ausfüllten. Die Silbernanodrähte, die etwa 120 Nanometer im Durchmesser aufweisen, wurden so mit einer dünnen Schicht aus etwa 100 Nanometern AZO bedeckt und verkapselt.

Leitfähigkeit hängt vom Grad der Vernetzung ab

Messungen der Leitfähigkeit zeigten, dass die neu entwickelte Komposit-Elektrode mit einer konventionellen Silbergitter-Elektrode vergleichbar ist. Allerdings kommt es dafür darauf an, wie gut sich die Nanodrähte vernetzt haben, was von den Drahtlängen und der Konzentration der Silbernanodrähte in der Suspension abhängt.

Qualitätslandkarte am Rechner erstellt

Diesen Grad der Vernetzung können die Wissenschaftler vorab am Computer bestimmen. Mit speziell entwickelten Bildauswertealgorithmen werten sie rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen aus und können daraus die Leitfähigkeit der Elektrode vorhersagen.

„Wir ermitteln, wo gegebenenfalls der durchgehende leitfähige Pfad aus Nanodrähten unterbrochen ist und sehen so, wo die Vernetzung noch nicht optimal ist“, erklärt Ralf Keding. Trotz leistungsstarker Rechner dauerte es zunächst fast fünf Tage, um eine gute „Landkarte der Qualität“ der Elektrode zu errechnen. Nun wird die Software optimiert, um die Rechenzeit zu reduzieren. „Die Bildauswertung hat uns wertvolle Hinweise gegeben, wo wir ansetzen müssen, etwa bei der Drahtlänge oder Drahtkonzentration in der Lösung, um die Qualität der Elektrode durch erhöhte Vernetzung bei geringer Bedeckung zu verbessern “, sagt Manuela Göbelt.

Praktikable und günstige Alternative zu konventionellen Elektroden

„Mit dieser neu entwickelte Hybridelektrode haben wir eine praktikable und kostengünstige Alternative zu konventionellen gedruckten Gitter-Elektroden und zu dem gängigen, jedoch durch Materialengpässe bedrohte, ITO entwickelt“, sagt Silke Christiansen, die am HZB das Institut für Nanoarchitekturen für die Energieumwandlung leitet und am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) zusätzlich eine fokussierte Projektgruppe leitet.

Vorteile: Nur ein Bruchteil des Silbers, kaum Verschattung

Tatsächlich kommen die neuen Elektroden mit 0,3 Gramm Silber pro Quadratmeter Oberfläche aus, während konventionelle Silber-Gitterelektroden eher zwischen 15 und 20 Gramm Silber benötigen. Außerdem verschatten sie die Solarzelle deutlich weniger: „Das Netz aus Silbernanodrähten ist so fein, dass fast gar kein Licht durch Verschattung für die Solarenergiekonversion in der Solarzelle verloren geht“, erklärt Manuela Göbelt. Im Gegenteil, hofft sie: „Es wäre sogar möglich, dass die Silbernanodrähte durch so genannte plasmonische Effekte Licht gezielt in den Solarzellabsorber streuen.“

Die Arbeit ist im Journal Nano Energy, Vol. 16, Sept. 2015, publiziert: "Encapsulation of silver nanowire networks by atomic layer deposition for indium-free transparent electrodes". Manuela Göbelt, Ralf Keding, Sebastian W. Schmitt,Björn Hoffmann, Sara Jäckle, Michael Latzel, Vuk V. Radmilović,Velimir R. Radmilović,Erdmann Spiecker, Silke Christiansen.

Weitere Informationen:

Erstautorin:
Manuela Göbelt
Tel +49 (0) 9131 6877 551
manuela.goebelt@mpl.mpg.de

Prof. Dr. Silke Christiansen
Institut Nanoarchitekturen für die Energieumwandlung
silke.christiansen@helmholtz-berlin.de

Pressestelle HZB
Dr. Antonia Rötger
antonia.roetger@helmholtz-berlin.de

Weitere Informationen:

http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14269&sprache=de&ty...
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285515002815

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Weitere Berichte zu: Elektrode Elektroden Energie Helmholtz-Zentrum Nanodrähte Netz Silber Solarzelle Vernetzung Zinkoxid

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Geräteschutzschalter erfüllt NEC Class 2
19.05.2017 | PHOENIX CONTACT GmbH & Co.KG

nachricht Elektronikgehäuse für Anzeigeeinheiten
19.05.2017 | PHOENIX CONTACT GmbH & Co.KG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten