Schmetterlingsflügel geben Solarzellen Superpower
Licht-Absorptionsrate konnte um bis zu 200 Prozent gesteigert werden
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Flügel als Energielieferant (Grafik: Radwanul H. Siddique, KIT/CalTech) |
Karlsruhe (pte013/19.10.2017/10:30) Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) http://kit.edu haben Nanostrukturen, wie sie sich auf den Flügeln des Schmetterlings "Gewöhnliche Rose" befinden, auf Solarzellen übertragen. In der Folge konnte deren Licht-Absorptionsrate um bis zu 200 Prozent gesteigert werden. Das Geheimnis dahinter: Kleinste Löcher absorbieren Licht über ein breites Spektrum deutlich besser als glatte Oberflächen.
Viel effizienter als gedacht
"Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale Wärmegewinnung das Sonnenlicht besonders gut absorbiert. Noch spannender als sein Aussehen sind für uns die Mechanismen, mit denen er die hohe Absorption erreicht. Das Optimierungspotenzial, das eine Übertragung dieser Strukturen für die Photovoltaik hat, fiel deutlich höher aus, als wir vermutet hatten", so KIT-Forscher Hendrik Hölscher.
Die Wissenschaftler haben die beim Schmetterling identifizierten Nanostrukturen auf der Siliziumschicht einer Dünnfilm-Solarzelle nachgebildet. Die anschließende Analyse der Licht-Absorption lieferte vielversprechende Ergebnisse: Im Vergleich zur flachen Oberfläche steigt die Absorptionsrate bei senkrechtem Lichteinfall um 97 Prozent und erhöht sich stetig, bis sie bei einem Einfallswinkel von 50 Grad sogar 207 Prozent erreicht. "Dies ist vor allem für europäische Lichtverhältnisse interessant, da hier häufig diffuses Licht herrscht und das Licht nur selten senkrecht auf die Solarzellen fällt", fügt Hölscher ergänzend hinzu.
Unterschiedliche Lochmuster
Vor dem Übertragen der Nanostrukturen wurden sowohl Durchmesser als auch Anordnung der Nanolöcher auf dem Flügel des Schmetterlings mittels Mikrospektroskopie ermittelt. Anschließend analysierten sie in einer Computersimulation die Stärke der Licht-Absorption bei unterschiedlichen Lochmustern: Dabei zeigte sich, dass unregelmäßig angeordnete Löcher mit variierenden Durchmessern, so wie sie beim Schmetterling zu finden sind, die stabilsten Absorptionsraten über das gesamte Spektrum und verschiedene Einfallswinkel erzielten. Die Löcher auf der Solarzelle haben Durchmesser von 133 bis 343 Nanometern.
Die Karlsruher Fachleute konnten mit ihrer Forschung zeigen, dass sich durch die Wegnahme von Material die Lichtausbeute erheblich steigern lässt. Im Projekt arbeiteten sie mit amorphem Silizium. Allerdings, so die Forscher, ließe sich jede Art von Dünnfilm-Photovoltaik-Modulen mit solchen Nanostrukturen verbessern, sogar in industriellem Maßstab.
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