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 TU Ilmenau erforscht innovative mikrooptische Bauelemente für neuartige Anwendungen
21.09.2017 | Technische Universität Ilmenau

nachricht Bald bessere Akkus?
21.09.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie