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
- 3D-Magnetfeld-Experiment an BESSY II bringt Spintronik voran(Fe0.63Ni0.3Pd0.07)3P oder kurz FNPP ist ein magnetisches Material, das auch schon bei Raumtemperatur komplexe magnetische Strukturen zeigt. Das macht das Material für die Spintronik interessant, die Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieeinsatz ermöglichen würde, zum Beispiel neuartige Datenspeicher. Allerdings müsste es dafür gelingen, die gewünschten Strukturen kontrolliert zu erzeugen und zu verändern, und das ist bisher noch eine Herausforderung. Eine neue Studie unter Federführung des HZB ist hier nun einen Schritt vorangekommen. Mit einem weltweit einzigartigen Instrument, dem VEKMAG an BESSY II, zeigten sie, dass ein sehr kleines äußeres Magnetfeld in der Ebene der Strukturen ausreicht, um diese zu verändern.
- Grüner Wasserstoff: Ultradünne Nickeloxidschichten erweisen sich als überlegenUltradünne Nickeloxid-Beschichtungen können die Leistung von Wasserelektrolyseuren mit Anionenaustauschmembran (AEM) deutlich verbessern. Dies hat ein Team um Dr. Michelle Browne nachgewiesen: Eine nur 10 Nanometer dicke Nickeloxidschicht übertrifft dabei die Leistung von herkömmlichen Nickeloxid-Pulverelektroden, benötigt dabei jedoch weniger als 1 % des Katalysatormaterials. Die Studie ist im „Journal of Materials Chemistry A“ veröffentlicht.
- BESSY II gibt Einblick in die Oxidationsprozesse von KupferBevor sich reines Kupferoxid bildet, entstehen komplexe Superstrukturen aus Kupfer- und Sauerstoffatomen wie „29“CuxO. Einblicke in diese „29“-CuxO-Superstruktur sind relevant für die Katalysatorforschung und den Korrosionsschutz bei der Entwicklung von Kupferbehältern für Endlager für radioaktive Abfälle.