Forskare från AMOLFs 3-D-fotovoltaikgrupp har använt ett atomkraftmikroskop för att elektrokemiskt skriva ut i nanoskala. Denna teknik kan skriva ut strukturer för en ny generation solceller på chips. Forskarna publicerade sina resultat idag i nättidskriften Nanoskala .

Kopparklusterna på guldplåtens yta bildar bokstäverna AMOLF (se bild). Dessa är osynliga för blotta ögat, eftersom bokstäverna bara är några hundra nanometer stora. Dock, bilden är tydligt synlig genom mikroskopet som används för att skriva bokstäverna. Mark Aarts, Ph.D. student i 3-D-fotovoltaikgruppen, använde detta atomkraftmikroskop (AFM) för att manipulera upplösta kopparjoner för att bilda dessa bokstäver.

Han kan använda tekniken för att rita vilken form som helst på en yta. Tekniken är lämplig för produktion av en ny generation av nanoarkitekterade solceller, som fångar solljus i vertikala nanostrukturer som ledningar, kottar eller kanske till och med trädformade element. Gruppledaren Esther Alarcón säger, "I traditionella solceller, ljuset faller på det översta horisontella lagret; det blir mörkare när djupet i materialet ökar. I 3D-solceller, istället för bara det översta lagret, hela volymen av materialet är aktiv." En av utmaningarna är att utveckla en ny teknik för att producera nanotrådar från botten och upp med hjälp av elektrokemiska processer istället för att skära ut dem ur en större bit material. Det är precis vad Aarts är jobbar på.

Ritning med koppar

Skolbarn kan utföra en enkel elektrokemisk reaktion med en klarblå lösning av kopparsulfat i ett glas och två gem som elektroder. När en spänning läggs på gemen, kopparavlagringar på en av dem.

Samma sak händer på nanoskala i AFM. En liten platinanål, 50 nanometer i diameter, rör sig över en yta som nålen på en skivspelare som rör sig över en skiva. I detta experiment, detta tips fungerar som ett gem, och en liten guldplatta (eller chipet) som strukturen är ritad på fungerar som det andra gem. Hela installationen är suspenderad i en kopparsulfatlösning. När en spänning appliceras över elektroderna, koppar avlagringar exakt där spetsen är belägen på guldytan. Om spetsen flyttas, sedan lägger sig kopparn något längre upp. Med detta tillvägagångssätt, ett mönster kan ritas elektrokemiskt på ett chip med hjälp av en AFM.

Dubbelt lager

Det stod snart klart att den elektrokemiska processen på nanoskala inte fortgick på samma sätt som på köksbordsskalan. Till exempel, till hans förvåning, Aarts såg att mer koppar avsattes på ytan vid lägre koncentrationer av kopparsulfatlösningen. Vid höga koncentrationer, det var omöjligt att skriva.

Dock, att knacka på ytan med AFM-spetsen fungerade bra. Det var nödvändigt eftersom utan denna knackning, ingen koppar bildades. En grundläggande process ligger bakom detta, Aarts förklarar. "Ett lager med motsatt laddning bildas alltid runt en laddad elektrod. Detta "dubbla lager" bildas också runt vår AFM-spets och guldelektroden, och som förhindrar att kopparreaktionen äger rum. Det är förvånande, för vid köksbordsvågen, det dubbla lagret är det som underlättar reaktionen. Genom att knacka spetsen på ytan, det dubbla lagret är brutet, vilket gör att reaktionen kan ske lokalt."

Aarts är nöjd med den framgångsrika produktionen av 3D-mönster med hjälp av en AFM och en elektrokemisk reaktion. Koncentrationseffekten och behovet av att knacka har aldrig tidigare observerats, säger forskaren. "Dubbelskiktet är ett av de viktigaste fenomenen inom elektrokemin, men vi förstår det ännu inte helt. Denna kunskap kan vara viktig för utvecklingen av förbättrade batterier eller elektrokatalys."

Strukturerna som Aarts för närvarande ritar är cirka 50 nanometer stora, eftersom det är dimensionen av AFM-tipset. Dock, mindre vore bättre. "Vi tror att vi lätt kan använda en mindre spets för att rita ännu mindre strukturer."

Forskarnas dröm är att producera solceller med denna teknik. Detta kommer att kräva att strukturerna är högre. "Att öka höjden på ett kontrollerat sätt är fortfarande svårt, säger Aarts, och det jobbar forskarna med. I sista hand, produktionen av solceller kommer att kräva strukturer byggda av flera material, som gallium och arsenid, som tillsammans bildar de bästa solcellerna. "Med elektrokemi, vi kan enkelt applicera material samtidigt eller i sekvens. Inom gruppen undersöker vi även dessa processer, och vi hoppas kunna kombinera allt i framtiden."