Gli elettrodi per i collegamenti sul "lato soleggiato" di una cella solare devono essere non solo elettricamente conduttivi, ma anche trasparente. Di conseguenza, gli elettrodi sono attualmente realizzati utilizzando sottili strisce d'argento sotto forma di una griglia a maglie grossolane spalmate su una superficie, oppure applicando uno strato trasparente di composto elettricamente conduttivo di ossido di indio e stagno (ITO). Nessuna di queste sono soluzioni ideali, però. Questo perché l'argento è un metallo prezioso e relativamente costoso, e le particelle d'argento con dimensioni nanometriche si ossidano particolarmente rapidamente; nel frattempo, l'indio è uno degli elementi più rari sulla crosta terrestre e probabilmente continuerà ad essere disponibile solo per pochi anni.

Maglia di nanofili d'argento

Manuela Göbelt del team del Prof. Silke Christiansen ha ora sviluppato una nuova elegante soluzione utilizzando solo una frazione dell'argento e completamente priva di indio per produrre un elettrodo tecnologicamente intrigante. Il dottorando ha inizialmente realizzato una sospensione di nanofili d'argento in etanolo utilizzando tecniche di chimica umida. Ha quindi trasferito questa sospensione con una pipetta su un substrato, in questo caso una cella solare al silicio. Quando il solvente evapora, i nanofili d'argento si organizzano in una maglia sciolta che rimane trasparente, ma abbastanza denso da formare percorsi di corrente ininterrotti.

Incapsulamento con cristalli AZO

Successivamente, Göbelt ha utilizzato una tecnica di deposizione di strati atomici per applicare gradualmente un rivestimento di un semiconduttore ad ampia banda proibita altamente drogato noto come AZO. AZO è costituito da ossido di zinco drogato con alluminio. È molto meno costoso di ITO e altrettanto trasparente, ma non altrettanto elettricamente conduttivo. Questo processo ha causato la formazione di minuscoli cristalli AZO sui nanofili d'argento, li avvolse completamente, e infine riempito gli interstizi. I nanofili d'argento, misura circa 120 nanometri di diametro, sono stati ricoperti da uno strato di circa 100 nanometri di AZO e incapsulati da questo processo.

Mappa della qualità calcolata

Le misurazioni della conduttività elettrica hanno mostrato che l'elettrodo composito di nuova concezione è paragonabile a un elettrodo a griglia d'argento convenzionale. Però, le sue prestazioni dipendono da quanto bene i nanofili sono interconnessi, che è una funzione delle lunghezze del filo e della concentrazione di nanofili d'argento nella sospensione. Gli scienziati sono stati in grado di specificare in anticipo il grado di networking con i computer. Utilizzando algoritmi di analisi delle immagini appositamente sviluppati, potrebbero valutare le immagini scattate con un microscopio elettronico a scansione e prevedere la conduttività elettrica degli elettrodi da esse.

"Stiamo studiando dove un determinato percorso conduttivo continuo di nanofili viene interrotto per vedere dove la rete non è ancora ottimale", spiega Ralf Keding. Anche con computer ad alte prestazioni, inizialmente ci sono voluti quasi cinque giorni per calcolare una buona "mappa di qualità" dell'elettrodo. Il software è ora in fase di ottimizzazione per ridurre il tempo di calcolo. "L'analisi delle immagini ci ha fornito preziosi indizi su dove dobbiamo concentrare i nostri sforzi per aumentare le prestazioni dell'elettrodo, come l'aumento della rete per migliorare le aree con scarsa copertura modificando le lunghezze dei cavi o la concentrazione dei cavi nella soluzione", dice Gobelt.

Pratica alternativa agli elettrodi convenzionali

"Abbiamo sviluppato un pratico, alternativa economica ai tradizionali elettrodi a griglia serigrafati e al comune tipo ITO che è però minacciato da colli di bottiglia dei materiali", dice Christiansen, che dirige l'Istituto di nanoarchitetture per la conversione dell'energia presso HZB e dirige inoltre un team di progetto presso l'Istituto Max Planck per la scienza della luce (MPL).

Solo una frazione d'argento, quasi nessun effetto ombra

I nuovi elettrodi infatti possono essere realizzati utilizzando solo 0,3 grammi di argento per metro quadrato, mentre gli elettrodi a griglia d'argento convenzionali richiedono tra i 15 ei 20 grammi di argento. Inoltre, il nuovo elettrodo proietta un'ombra notevolmente più piccola sulla cella solare. "La rete di nanofili d'argento è così sottile che quasi nessuna luce per la conversione dell'energia solare viene persa nella cella a causa dell'ombra", spiega Gobelt. Anzi, spera che "potrebbe anche essere possibile che i nanofili d'argento diffondano la luce negli assorbitori delle celle solari in modo controllato attraverso i cosiddetti effetti plasmonici".