Les électrodes pour les connexions du "côté ensoleillé" d'une cellule solaire doivent être non seulement électriquement conductrices, mais transparent aussi. Par conséquent, les électrodes sont actuellement réalisées soit en utilisant de fines bandes d'argent en forme de grille à grosses mailles raclées sur une surface, ou en appliquant une couche transparente de composé d'oxyde d'indium et d'étain (ITO) électriquement conducteur. Aucune de ces solutions n'est idéale, toutefois. C'est parce que l'argent est un métal précieux et relativement cher, et les particules d'argent aux dimensions nanométriques s'oxydent particulièrement rapidement; pendant ce temps, l'indium est l'un des éléments les plus rares de la croûte terrestre et ne continuera probablement à être disponible que pendant quelques années.

Maille de nanofils d'argent

Manuela Göbelt de l'équipe du professeur Silke Christiansen a maintenant développé une nouvelle solution élégante utilisant seulement une fraction de l'argent et entièrement dépourvue d'indium pour produire une électrode technologiquement intrigante. Le doctorant a dans un premier temps réalisé une suspension de nanofils d'argent dans de l'éthanol en utilisant des techniques de chimie humide. Elle a ensuite transféré cette suspension à la pipette sur un substrat, dans ce cas une cellule solaire au silicium. Au fur et à mesure de l'évaporation du solvant, les nanofils d'argent s'organisent en un maillage lâche qui reste transparent, suffisamment dense pour former des chemins de courant ininterrompus.

Encapsulation par cristaux AZO

Ensuite, Göbelt a utilisé une technique de dépôt de couche atomique pour appliquer progressivement un revêtement d'un semi-conducteur à large bande interdite hautement dopé connu sous le nom d'AZO. L'AZO est constitué d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium. C'est beaucoup moins cher que l'ITO et tout aussi transparent, mais pas tout à fait aussi électriquement conducteur. Ce processus a provoqué la formation de minuscules cristaux d'AZO sur les nanofils d'argent, les enveloppa complètement, et enfin rempli les interstices. Les nanofils d'argent, mesurant environ 120 nanomètres de diamètre, ont été recouverts d'une couche d'environ 100 nanomètres d'AZO et encapsulés par ce procédé.

Carte de qualité calculée

Les mesures de la conductivité électrique ont montré que l'électrode composite nouvellement développée est comparable à une électrode à grille d'argent conventionnelle. Cependant, ses performances dépendent de la qualité de l'interconnexion des nanofils, qui est fonction des longueurs de fil et de la concentration en nanofils d'argent dans la suspension. Les scientifiques ont pu spécifier à l'avance le degré de mise en réseau avec les ordinateurs. En utilisant des algorithmes d'analyse d'images spécialement développés, ils pourraient évaluer des images prises avec un microscope électronique à balayage et prédire la conductivité électrique des électrodes à partir de celles-ci.

"Nous étudions où un chemin conducteur continu donné de nanofils est interrompu pour voir où le réseau n'est pas encore optimal", explique Ralf Keding. Même avec des ordinateurs hautes performances, il a encore fallu au début près de cinq jours pour calculer une bonne "carte de qualité" de l'électrode. Le logiciel est maintenant optimisé pour réduire le temps de calcul. "L'analyse d'image nous a donné des indices précieux sur les endroits où nous devons concentrer nos efforts pour augmenter les performances de l'électrode, comme une mise en réseau accrue pour améliorer les zones de mauvaise couverture en modifiant les longueurs de fil ou la concentration de fil dans la solution", dit Göbelt.

Alternative pratique aux électrodes conventionnelles

« Nous avons développé une pratique, alternative rentable aux électrodes de grille sérigraphiées conventionnelles et au type ITO commun qui est cependant menacé par des goulots d'étranglement matériels", dit Christiansen, qui dirige l'Institut des nanoarchitectures pour la conversion d'énergie à HZB et dirige en outre une équipe de projet à l'Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL).

Seulement une fraction d'argent, presque pas d'effets d'ombre

Les nouvelles électrodes peuvent en fait être fabriquées en utilisant seulement 0,3 gramme d'argent par mètre carré, tandis que les électrodes à grille d'argent conventionnelles nécessitent entre 15 et 20 grammes d'argent. En outre, la nouvelle électrode projette une ombre considérablement plus petite sur la cellule solaire. "Le réseau de nanofils d'argent est si fin que presque aucune lumière pour la conversion de l'énergie solaire n'est perdue dans la cellule à cause de l'ombre", explique Göbelt. Au contraire, elle espère "qu'il serait même possible pour les nanofils d'argent de diffuser la lumière dans les absorbeurs de cellules solaires de manière contrôlée grâce à ce que l'on appelle des effets plasmoniques".