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Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik

Energienutzung optimiertSchmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

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Nanostrukturen auf dem Flügel von Pachliopta aristolochiae lassen sich auf Solarzellen übertragen und steigern deren Absorptionsraten um bis zu 200 Prozent (Grafik: Radwanul H. Siddique, KIT/CalTech)

„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“, sagt Dr. Hendrik Hölscher vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) am KIT.

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Energienutzung optimiert: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik

Die Wissenschaftler um Hendrik Hölscher und Radwanul H. Siddique (ehemals KIT, jetzt CalTech) bildeten die beim Schmetterling identifizierten Nanostrukturen auf der Siliziumschicht einer Dünnfilm-Solarzelle nach. Die anschließende Analyse der Licht-Absorption lieferte vielversprechende Ergebnisse: Im Vergleich zu einer flachen Oberfläche steigt die Absorptionsrate bei senkrechtem Lichteinfall um 97 Prozent und steigert 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“, sagt Hendrik Hölscher.

Das bedeute allerdings nicht automatisch eine Effizienzsteigerung der gesamten PV-Anlage in gleicher Höhe, so Guillaume Gomard vom IMT. „Auch andere Komponenten spielen eine Rolle. Die 200 Prozent sind daher eher als theoretische Obergrenze für die Effizienzsteigerung zu sehen.“

Nanolöcher mit Mikrospektroskopie analysiert
Vor dem Übertragen der Nanostrukturen auf die Solarzellen ermittelten die Forscher Durchmesser und Anordnung der Nanolöcher auf dem Flügel des Schmetterlings mittels Mikrospektroskopie. 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. Dementsprechend haben sie die Löcher auf der Solarzelle zufällig und mit unterschiedlichen Durchmessern von 133 bis 343 Nanometern angeordnet.

Die Wissenschaftler konnten mit ihrer Forschung zeigen, dass durch die Wegnahme von Material die Lichtausbeute erheblich gesteigert werden kann. 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.

Steigerung der Absorption wichtig u.a. für Photovoltaikanlagen
Dünnfilm-Photovoltaik-Module stellen eine wirtschaftliche Alternative zu herkömmlichen kristallinen Silizium-Solarzellen dar, da die lichtabsorbierende Schicht bis zu 1000-mal flacher ist und damit der Rohstoffbedarf deutlich kleiner ausfällt. Allerdings liegen die Absorptionsraten der dünnen Schichten unter denen kristalliner Zellen. Deshalb werden sie vor allem dort eingesetzt, wo nur wenig Strom benötigt wird, etwa in Taschenrechnern oder Armbanduhren. Eine Steigerung der Absorption macht Dünnfilm-Zellen auch für größere Anwendungen wie Photovoltaik-Anlagen auf Dächern wirtschaftlich attraktiv.

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