Nanotechnologie für Energie-Materialien: Elektroden wie Blattadern
SEM – Abbildung eines metallischen Nano Netzwerks in (links) periodischer Aufbau und eine optische Abbildung einer fraktalen Struktur (rechts). © M. Giersig/HZB
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
- Batterieforschung: Alterungsprozesse operando sichtbar gemachtLithium-Knopfzellen mit Elektroden aus Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) sind sehr leistungsfähig. Doch mit der Zeit lässt die Kapazität leider nach. Nun konnte ein Team erstmals mit einem zerstörungsfreien Verfahren beobachten, wie sich die Elementzusammensetzung der einzelnen Schichten in einer Knopfzelle während der Ladezyklen verändert. An der Studie, die nun im Fachjournal Small erschienen ist, waren Teams der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der Universität Münster sowie Forschende der Forschungsgruppe SyncLab des HZB und des Applikationslabors BLiX der Technischen Universität Berlin beteiligt. Ein Teil der Messungen fand mit einem Instrument im BLiX-Labor statt, ein weiterer Teil an der Synchrotronquelle BESSY II.
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.