Transparent und leitfähig

Ein Team um Silke Christiansen hat eine transparente, hochleitfähige Elektrode für Solarzellen und andere optoelektronische Bauelemente entwickelt, die mit minimalem Materialaufwand auskommt. Sie besteht aus einem ungeordneten Netz aus Silbernanodrähten, das mit Aluminum-dotiertem Zinkoxid beschichtet ist. Die neuartige Elektrode benötigt knapp siebzigmal weniger Silber als konventionelle Silber-Gitterelektroden, besitzt aber eine vergleichbar gute Leitfähigkeit.

Kontaktelektroden an der „Sonnenseite“ einer Solarzelle müssen nicht nur leitfähig sein, sondern auch transparent. Aktuell werden daher entweder Elektroden aus dünnen Silberstreifen in Form eines grobmaschigen Gitters aufgerakelt oder eine transparente Schicht eines leitfähigen Indium-Zinn-Oxides (ITO) aufgebracht. Beides sind jedoch noch keine Ideallösungen. Denn Silber ist als Edelmetall verhältnismäßig teuer und oxidiert insbesondere als Nanopartikel besonders schnell; und Indium zählt sogar zu den seltenen Elementen, die voraussichtlich nur noch wenige Jahre zur Verfügung stehen.

Nun hat Manuela Göbelt aus dem Team um Silke Christiansen eine raffinierte, neue Lösung entwickelt, um mit einem Bruchteil des Silbers und ganz ohne Indium eine technologisch interessante Elektrode herzustellen. Die Doktorandin hat dafür zunächst mit nasschemischen Verfahren Silbernano­drähte in einer Ethanol-Suspension hergestellt. Mit einer Pipette tropfte sie diese Suspension auf ein Substrat, zum Beispiel eine Silizium-Solarzelle. Beim Verdampfen des Lösungs­mittels organisieren sich die Nanodrähte aus Silber zu einem losen Gewirk, das transparent bleibt, dabei aber dicht genug ist, um durchgehende Strompfade zu bilden.

Anschließend brachte Manuela Göbelt mit einem von ihr optimierten Atomlagenabscheideverfahren Schritt für Schritt eine Schicht eines hochdotierten Halbleiters, das sogenannte AZO, auf. AZO besteht aus Zinkoxid, das mit Aluminium dotiert ist und besitzt eine große Bandlücke. Es ist viel billiger als ITO und ebenso transparent, allerdings nicht ganz so leitfähig. Dabei bildeten sich auf den Silbernanodrähten winzige AZO-Kristallite aus, die schließlich die Nanodrähte perfekt umhüllten und Zwischenräume ausfüllten. Die Silber­nano­drähte, die etwa 120 Nanometer im Durchmesser aufweisen, wurden so mit einer dünnen Schicht aus etwa 100 Nanometern AZO bedeckt und verkapselt.

Messungen der Leitfähigkeit zeigten, dass die neu entwickelte Komposit-Elektrode mit einer konventionellen Silbergitter-Elektrode vergleichbar ist. Allerdings kommt es dafür darauf an, wie gut sich die Nanodrähte vernetzt haben, was von den Drahtlängen und der Konzentration der Silbernanodrähte in der Suspension abhängt.

Diesen Grad der Vernetzung können die Wissenschaftler vorab am Computer bestimmen. Mit speziell entwickelten Bildauswertealgorithmen werteten sie raster­elektronen­mikroskopische Aufnahmen aus und konnten daraus die Leitfähigkeit der Elektrode vorhersagen. „Wir ermitteln, wo gegebenenfalls der durchgehende leitfähige Pfad aus Nanodrähten unterbrochen ist und sehen so, wo die Vernetzung noch nicht optimal ist“, erklärt Ralf Keding. Trotz leistungsstarker Rechner dauerte es zunächst fast fünf Tage, um eine gute „Landkarte der Qualität“ der Elektrode zu errechnen. Nun wird die Software optimiert, um die Rechenzeit zu reduzieren. „Die Bild­auswertung hat uns wertvolle Hinweise gegeben, wo wir ansetzen müssen, etwa bei der Drahtlänge oder Draht­konzentration in der Lösung, um die Qualität der Elektrode durch erhöhte Vernetzung bei geringer Bedeckung zu verbessern“, sagt Manuela Göbelt.

„Mit dieser neu entwickelte Hybridelektrode haben wir eine praktikable und kostengünstige Alternative zu konventionellen gedruckten Gitterelektroden und zu dem gängigen, jedoch durch Materialengpässe bedrohten ITO entwickelt“, sagt Silke Christiansen, die am HZB das Institut für Nano­architekturen für die Energie­umwandlung leitet und am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) zusätzlich eine Projektgruppe leitet.

Tatsächlich kommen die neuen Elektroden mit 0,3 Gramm Silber pro Quadratmeter Oberfläche aus, während konventionelle Silber-Gitter­elektroden eher zwischen 15 und 20 Gramm Silber benötigen. Außerdem verschatten sie die Solarzelle deutlich weniger: „Das Netz aus Silber­nano­drähten ist so fein, dass fast gar kein Licht durch Verschattung für die Solar­energie­konversion in der Solarzelle verloren geht“, erklärt Manuela Göbelt. Im Gegenteil, hofft sie: „Es wäre sogar möglich, dass die Silber­nano­drähte durch so genannte plasmonische Effekte Licht gezielt in den Solarzell­absorber streuen.“

HZB / DE