Los electrodos para las conexiones en el "lado soleado" de una celda solar deben ser no solo eléctricamente conductores, pero también transparente. Como resultado, Los electrodos se fabrican actualmente mediante el uso de finas tiras de plata en forma de rejilla de malla gruesa exprimida sobre una superficie, o aplicando una capa transparente de compuesto de óxido de indio y estaño (ITO) eléctricamente conductor. Ninguna de estas son soluciones ideales, sin embargo. Esto se debe a que la plata es un metal precioso y relativamente caro. y las partículas de plata con dimensiones a nanoescala se oxidan con especial rapidez; mientras tanto, El indio es uno de los elementos más raros de la corteza terrestre y probablemente solo seguirá estando disponible durante unos años más.

Malla de nanocables de plata

Manuela Göbelt, del equipo de la profesora Silke Christiansen, ha desarrollado una nueva y elegante solución que utiliza solo una fracción de la plata y carece por completo de indio para producir un electrodo tecnológicamente intrigante. El estudiante de doctorado inicialmente hizo una suspensión de nanocables de plata en etanol utilizando técnicas de química húmeda. Luego transfirió esta suspensión con una pipeta a un sustrato, en este caso una célula solar de silicio. A medida que se evapora el disolvente, los nanocables de plata se organizan en una malla suelta que permanece transparente, pero lo suficientemente denso como para formar caminos de corriente ininterrumpidos.

Encapsulación por cristales AZO

Después, Göbelt utilizó una técnica de deposición de capa atómica para aplicar gradualmente una capa de un semiconductor de banda ancha muy dopado conocido como AZO. AZO consiste en óxido de zinc dopado con aluminio. Es mucho menos costoso que ITO e igual de transparente, pero no tan eléctricamente conductor. Este proceso hizo que se formaran pequeños cristales de AZO en los nanocables de plata, los envolvió por completo, y finalmente llenó los intersticios. Los nanocables de plata, midiendo unos 120 nanómetros de diámetro, se cubrieron con una capa de aproximadamente 100 nanómetros de AZO y se encapsularon mediante este proceso.

Mapa de calidad calculado

Las mediciones de la conductividad eléctrica mostraron que el electrodo compuesto recientemente desarrollado es comparable a un electrodo de rejilla de plata convencional. Sin embargo, su rendimiento depende de qué tan bien estén interconectados los nanocables, que es una función de la longitud de los cables y la concentración de nanocables de plata en la suspensión. Los científicos pudieron especificar de antemano el grado de conexión en red con las computadoras. Usando algoritmos de análisis de imágenes especialmente desarrollados, podrían evaluar imágenes tomadas con un microscopio electrónico de barrido y predecir la conductividad eléctrica de los electrodos a partir de ellas.

"Estamos investigando dónde se interrumpe una determinada ruta conductora continua de nanocables para ver dónde la red aún no es óptima", explica Ralf Keding. Incluso con computadoras de alto rendimiento, Inicialmente, todavía tomó casi cinco días calcular un buen "mapa de calidad" del electrodo. El software se está optimizando ahora para reducir el tiempo de cálculo. "El análisis de imágenes nos ha dado pistas valiosas sobre dónde debemos concentrar nuestros esfuerzos para aumentar el rendimiento del electrodo, como una mayor conexión en red para mejorar las áreas de cobertura deficiente cambiando las longitudes de los cables o la concentración de cables en la solución ", dice Göbelt.

Práctica alternativa a los electrodos convencionales

"Hemos desarrollado una práctica, alternativa rentable a los electrodos de rejilla serigrafiados convencionales y al tipo común de ITO que, sin embargo, se ve amenazado por los cuellos de botella del material ", dice Christiansen, quien dirige el Instituto de Nanoarquitecturas para la Conversión de Energía en HZB y además dirige un equipo de proyecto en el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (MPL).

Solo una fracción de plata casi sin efectos de sombra

Los nuevos electrodos se pueden fabricar utilizando solo 0,3 gramos de plata por metro cuadrado, mientras que los electrodos de rejilla de plata convencionales requieren entre 15 y 20 gramos de plata. Además, el nuevo electrodo proyecta una sombra considerablemente más pequeña sobre la célula solar. "La red de nanocables de plata es tan fina que casi no se pierde luz para la conversión de energía solar en la celda debido a la sombra", explica Göbelt. De lo contrario, ella espera que "incluso podría ser posible que los nanocables de plata dispersen luz en los absorbentes de las células solares de manera controlada a través de lo que se conoce como efectos plasmónicos".