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Was in der Natur funktioniert, hilft auch Elektroden: Quasi-fraktale Nanostrukturen, die den hierarchischen Netzwerken in Blattadern ähneln, erhöhen Effizienz und Leistung von Elektroden. Bild: Pixabay
Elektroden-Netzwerke

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Natur verbessert Elektrodenstruktur

Blattadern regeln nicht nur den Wasserhaushalt von Pflanzen und stärken das Blatt - ihre Strukturen bringen auch Effizienz in transparente Elektroden.

Transparenz wird immer gefragter, beispielsweise bei Solarzellen oder Touchscreen-Panels. Hier kommen häufig transparente Elektroden zum Einsatz, für deren Herstellung zunehmend nano-dimensionierte Metalldrähte Interesse als leitfähige Elemente finden. Zu den wichtigsten Parametern einer Elektrode für die Anwendung in der Photovoltaik gehört neben einer hohen elektrischen Leitfähigkeit eine exzellente optische Durchlässigkeit.

Blattaderstruktur verbessert Elektrodenstruktur

Ein internationales Team um den Wissenschaftler Prof. Dr. Michael Giersig vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat kürzlich demonstriert, dass metallische Netze, die fraktal-ähnliche Nanostrukturen besitzen, 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.

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.

Autobahnen und Landstraßen

Die Wissenschaftler konnten so eine kostengünstige transparente Metallelektrode entwickeln. Dabei werden zwei Silber-Netzwerke integriert: 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. Sie fungieren neben den Autobahnen als „Landstraßen“, die den Stromtransport homogenisieren, Brechungseffekte ermöglichen und damit die Transparenz über die klassischen Schattierungsgrenze hinaus verbessern. Mit dieser Elektrode könnte die Effizienz von Solarzellen erhöht werden.

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