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
- Neue Option, um Eigenschaften von Seltenerd-Elementen zu kontrollierenDie besonderen Eigenschaften von magnetischen Materialien aus der Gruppe der Seltenen Erden gehen auf Elektronen in der 4f-Schale zurück. Bislang galten die magnetischen Eigenschaften der 4f-Elektronen als kaum kontrollierbar. Nun hat ein Team von HZB, der Freien Universität Berlin und weiteren Einrichtungen erstmals gezeigt, dass durch Laserpulse 4f-Elektronen beeinflusst – und damit deren magnetische Eigenschaften verändert werden können. Die Entdeckung, die durch Experimente am EuXFEL und FLASH gelang, weist einen neuen Weg zu Datenspeichern mit Seltenen Erden.
- BESSY II zeigt, wie sich Feststoffbatterien zersetzenFeststoffbatterien können mehr Energie speichern und sind sicherer als Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Allerdings halten sie nicht so lange und ihre Kapazität nimmt mit jedem Ladezyklus ab. Doch das muss nicht so bleiben: Forscherinnen und Forscher sind den Ursachen bereits auf der Spur. In der Fachzeitschrift ACS Energy Letters stellt ein Team des HZB und der Justus-Liebig-Universität Gießen eine neue Methode vor, um elektrochemische Reaktionen während des Betriebs einer Feststoffbatterie mit Photoelektronenspektroskopie an BESSY II genau zu verfolgen. Die Ergebnisse helfen, Batteriematerialien und -design zu verbessern.
- Wertstoffe aus Abfall: Auf die richtigen Elektrolyte kommt es anStellt man aus Biomasse Biodiesel her, fällt als Nebenprodukt Glycerin an. Bislang wird dieses Nebenprodukt jedoch wenig genutzt, obwohl es durch Oxidation in photoelektrochemischen Reaktoren (PEC) zu wertvolleren Chemikalien verarbeitet werden könnte. Der Grund dafür: geringe Effizienz und Selektivität. Nun hat ein Team um Dr. Marco Favaro vom Institut für Solare Brennstoffe am HZB den Einfluss der Elektrolyte auf die Effizienz der Glycerin-Oxidations-Reaktion in PEC-Reaktoren untersucht und Ergebnisse erhalten, die dabei helfen, effizientere und umweltfreundlichere Produktionsverfahren zu entwickeln.