Elektroderna för anslutningar på "solsidan" av en solcell behöver inte bara vara elektriskt ledande, men transparent också. Som ett resultat, elektroder tillverkas för närvarande antingen genom att använda tunna remsor av silver i form av ett grovmaskigt galler som kläms på en yta, eller genom att applicera ett transparent lager av elektriskt ledande indiumtennoxid (ITO)-förening. Ingen av dessa är idealiska lösningar, dock. Detta beror på att silver är en ädelmetall och relativt dyr, och silverpartiklar med dimensioner i nanoskala oxiderar särskilt snabbt; under tiden, indium är ett av de mest sällsynta grundämnena på jordskorpan och kommer förmodligen bara att fortsätta att finnas tillgängligt i några år till.

Nät av silver nanotrådar

Manuela Göbelt i teamet av Prof. Silke Christiansen har nu utvecklat en elegant ny lösning som använder bara en bråkdel av silvret och helt utan indium för att producera en tekniskt spännande elektrod. Doktoranden gjorde initialt en suspension av silver nanotrådar i etanol med våtkemitekniker. Hon överförde sedan denna suspension med en pipett till ett substrat, i detta fall en kiselsolcell. När lösningsmedlet avdunstar, silver nanotrådarna organiserar sig i ett löst nät som förblir transparent, ändå tät nog för att bilda oavbrutna strömbanor.

Inkapsling av AZO-kristaller

Senare, Göbelt använde en atomskiktsavsättningsteknik för att gradvis applicera en beläggning av en högdopad halvledare med brett bandgap känd som AZO. AZO består av zinkoxid som är dopad med aluminium. Det är mycket billigare än ITO och lika transparent, men inte riktigt lika elektriskt ledande. Denna process fick små AZO-kristaller att bildas på silvernanotrådarna, omslöt dem helt, och fyllde slutligen i mellanrummen. Silver nanotrådarna, mäter cirka 120 nanometer i diameter, täcktes med ett skikt av cirka 100 nanometer AZO och inkapslades genom denna process.

Kvalitetskarta beräknad

Mätningar av den elektriska konduktiviteten visade att den nyutvecklade kompositelektroden är jämförbar med en konventionell silvergallerelektrod. Dock, dess prestanda beror på hur väl nanotrådarna är sammankopplade, vilket är en funktion av trådlängderna och koncentrationen av silver nanotrådar i suspensionen. Forskarna kunde i förväg specificera graden av nätverkande med datorer. Med hjälp av specialutvecklade bildanalysalgoritmer, de kunde utvärdera bilder tagna med ett svepelektronmikroskop och förutsäga elektrodernas elektriska ledningsförmåga från dem.

"Vi undersöker var en given kontinuerlig ledande bana av nanotrådar avbryts för att se var nätverket ännu inte är optimalt", förklarar Ralf Keding. Även med högpresterande datorer, det tog fortfarande från början nästan fem dagar att beräkna en bra "kvalitetskarta" över elektroden. Mjukvaran optimeras nu för att minska beräkningstiden. "Bildanalysen har gett oss värdefulla ledtrådar om var vi behöver koncentrera våra ansträngningar för att öka elektrodens prestanda, såsom ökat nätverk för att förbättra områden med dålig täckning genom att ändra trådlängderna eller trådkoncentrationen i lösning", säger Göbelt.

Praktiskt alternativ till konventionella elektroder

"Vi har utvecklat en praktisk, kostnadseffektivt alternativ till konventionella screentryckta rutnätselektroder och till den vanliga ITO-typen som dock hotas av materiella flaskhalsar", säger Christiansen, som leder Institute of Nanoarchitectures for Energy Conversion vid HZB och leder dessutom ett projektteam vid Max Planck Institute for the Science of Light (MPL).

Bara en bråkdel av silver, nästan inga skuggeffekter

De nya elektroderna kan faktiskt tillverkas med bara 0,3 gram silver per kvadratmeter, medan konventionella silvergallerelektroder kräver närmare mellan 15 och 20 gram silver. Dessutom, den nya elektroden kastar en betydligt mindre skugga på solcellen. "Nätverket av silver nanotrådar är så fint att nästan inget ljus för solenergiomvandling går förlorat i cellen på grund av skuggan", förklarar Göbelt. Tvärtom, hon hoppas "det kan till och med vara möjligt för silvernanotrådarna att sprida ljus i solcellsabsorbatorerna på ett kontrollerat sätt genom så kallade plasmoniska effekter."