Blattwerk für Solarzellen

  • 28. September 2016

Fraktale Elektroden kombinieren gleichmäßige Stromdichte mit minimalem Gesamtwiderstand.

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.

Abb.: Metallisches Nano-Netzwerk mit  periodischem Aufbau (links) und fraktaler Struktur (rechts; Bild: HZB)

Abb.: Metallisches Nano-Netzwerk mit periodischem Aufbau (links) und fraktaler Struktur (rechts; Bild: HZB)

Ein internationales Team um Michael Giersig hat kürzlich demonstriert, dass metallische Netze mit fraktal-ähnlichen Nano­strukturen andere metallische Netze in ihrer Nützlichkeit für die genannten Anwendungen übertreffen. Die Neuerung basiert auf der Realisierung sogenannter quasi-fraktaler Nano­strukturen. Sie haben Ähnlichkeiten mit den hierarchischen Netz­werken der Adern in Blättern. Wie Giersigs Team zeigen konnte, ermöglichen metallische Netze mit derartigen Strukturen eine Optimierung der Elektroden­struktur. Sie kombinieren eine hervorragende Flächen­abdeckung bei zugleich gleichmäßiger Strom­dichte mit einem minimalen Gesamtwiderstand.

Zudem wiesen die Forscher nach, dass die von der Natur inspirierten Netzwerke die Eigenschaften herkömmlicher Indium­zinnoxid-Schichten übertreffen können. In den Experimenten an künstlich hergestellten Elektroden-Netzwerken unterschiedlichen Aufbaus wies das Team nach, 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 Giersi. „Solar­zellen auf der Grundlage dieser Elektrode zeigen eine erwartungs­gemäß hohe Effizienz.“

HZB / DE

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