Nanotechnologie für Energie-Materialien: Elektroden wie Blattadern

Nano-dimensionierte Metalldrähte finden zunehmend Interesse als leitfähige Elemente für die Herstellung transparenter Elektroden. Zum Einsatz kommen solche transparenten Elektroden in Solarzellen oder Touchscreen-Panels. Zu den wichtigsten Parametern einer Elektrode für die Anwendung in der Photovoltaik gehört neben einer hohen elektrischen Leitfähigkeit eine exzellente optische Durchlässigkeit. Ein internationales Team um den HZB-Wissenschaftler Prof. Dr. Michael Giersig hat kürzlich demonstriert, dass metallische Netze, die fraktal-ähnliche Nanostrukturen besitzen, andere metallische Netze in ihrer Nützlichkeit für die genannten Anwendungen übertreffen. Diese Ergebnisse wurden jetzt in der jüngsten Ausgabe des renommierten Journals Nature Communications veröffentlicht.

Die Neuerung basiert auf der Realisierung sogenannter quasi-fraktaler Nanostrukturen. Sie haben Ähnlichkeiten mit den hierarchischen Netzwerken der Adern in Blättern. Giersigs Team konnte zeigen, dass metallische Netze mit derartigen Strukturen eine Optimierung der Elektrodenstruktur ermöglichen. Sie kombinieren eine hervorragende Flächenabdeckung bei zugleich gleichmäßiger Stromdichte mit einem minimalen Gesamtwiderstand.  Zudem wiesen sie nach, dass die von der Natur inspirierten Netzwerke die Eigenschaften herkömmlicher Indiumzinnoxid (ITO) -Schichten übertreffen können. In den Experimenten an künstlich hergestellten Elektroden-Netzwerken unterschiedlichen Aufbaus zeigte das Team, dass nicht periodische hierarchische Strukturen im Vergleich zu periodischen Strukturen einen niedrigeren Schichtwiderstand sowie eine sehr gute optische Durchlässigkeit aufweisen. Das führt zu einer erhöhten Ausgangsleistung für photovoltaische Bauelemente.

„Auf der Grundlage unserer Studien konnten wir eine kostengünstige transparente Metallelektrode entwickeln“, sagt Giersig: „Wir erhalten sie durch Integration von zwei Silber-Netzwerken: Ein Silber-Netzwerk, das mit einer hohen Maschenbreite und Mikrometer dicken Hauptleitungen aufgebracht ist, dient als `Autobahn´ für Elektronen, auf der der elektrische Strom über makroskopische Distanzen transportiert wird.“ Daneben dienen weitere, statistisch verteilte Nanodraht-Netzwerke als lokale Leiter, um die Flächen zwischen den großen Maschen abzudecken. „Diese kleineren Netzwerke fungieren neben den Autobahnen als `Landstraßen´, die den Stromtransport homogenisieren, Brechungseffekte ermöglichen und damit die Transparenz über die klassischen Schattierungsgrenze hinaus verbessern“, so Giersig: „Solarzellen auf der Grundlage dieser Elektrode zeigen eine erwartungsgemäß hohe Effizienz.“

Zur Publikation: Optimization of hierarchical structure and nanoscale-enabled plasmonic refraction for window electrodes in photovoltaics; Nature Communications, 7, 12825; doi:10.1038/ncomms12825