Bionische Solarzelle absorbiert mehr Licht

Die Epidermis eines Rosenblütenblatts wird in einer transparenten Schicht nachgebildet, um sie in die Vorderseite einer Solarzelle zu integrieren. (Bild: KIT)

Die Epidermis eines Rosenblütenblatts wird in einer transparenten Schicht nachgebildet, um sie in die Vorderseite einer Solarzelle zu integrieren. (Bild: KIT)

Mit einer Oberfläche wie bei Pflanzen können Solar­zellen mehr Licht aufnehmen und damit mehr Strom erzeugen. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie KIT reprodu­zierten die epidermalen Zellen von Rosen­blüten­blättern, die eine besonders starke Anti­reflex­wirkung besitzen, und integrierten die transpa­rente Nachbildung in eine orga­nische Solar­zelle. Dies führte zu einer relativen Erhöhung der Effizienz von zwölf Prozent.

Photo­voltaik ähnelt im Prinzip der von Pflanzen betriebenen Photo­synthese: Licht­energie wird absorbiert und in eine andere Form von Energie konvertiert. Dabei ist es wichtig, das Lichtspektrum der Sonne möglichst breit zu nutzen und das Licht aus verschiedenen Einfalls­winkeln aufzunehmen, da sich der Winkel mit dem Sonnen­stand ändert. Pflanzen haben dies in ihrer langen Evolution erreicht. Grund genug für Phot­ovoltaik­forscher, sich bei der Entwicklung von Solar­zellen mit breitem Absorptions­spektrum und hoher Einfalls­winkel­toleranz an der Natur zu orientieren.

Wissenschaftler am KIT und am Zentrum für Sonnen­energie und Wasser­stoff-Forschung Baden-Württemberg ZSW schlagen nun vor, das äußere Abschluss­gewebe von Blättern höherer Pflanzen, die soge­nannte Epidermis, in einer trans­parenten Schicht nachzubilden und diese in die Vorder­seite von Solar­zellen zu integrieren, um deren Effizienz zu steigern.

Zunächst unter­suchten die Forscher die epidermalen Zellen ver­chiedener Pflanzen­arten auf ihre optischen Eigen­schaften und vor allem ihre Antireflex­wirkung. Diese erwies sich als besonders stark bei Rosen­blüten­blättern, bei denen sie für stärkere Farb­kontraste sorgt und damit die Chance auf Bestäubung erhöht. Wie die Wissen­schaftler unter dem Elektronen­mikroskop feststellten, besteht die Epidermis der Rosen­blüten­blätter aus einem ungeordneten Feld dicht gedrängter Mikro­strukturen, zusätzlich gerippt durch zufällig platzierte Nano­strukturen.

Um die Struktur dieser epide­rmalen Zellen über eine größere Fläche exakt zu repro­duzieren, übertrugen die Forscher sie in eine Form aus Polydimethyl­siloxan, einem Polymer auf Siliziumbasis, drückten die so entstandene negative Struktur in einen optischen Kleber ein und ließen diesen unter UV-Betrahlung aushärten. „Diese Methode ist einfach und kostengünstig und erzeugt Mikro­strukturen von einer Tiefe und Dichte, wie sie sich mit künst­lichen Techniken kaum erreichen lassen“, berichtet Guillaume Gomard, Leiter der Gruppe Nano­photonik am KIT.

Die Wissenschaftler integrierten die transparente Nach­bildung der Rosen­blüten­blätter-Epidermis in eine organische Solar­zelle. Dadurch erhöhte sich die Energie­umwandlungs­effizienz bei senkrechtem Licht­einfall relativ um zwölf Prozent. Bei sehr flachen Einfalls­winkeln fiel die Effizienz­steigerung noch höher aus. Die Forscher führen die Steigerung vor allem auf die hervorragende richtungs­unabhängige Antirefle­wirkung der nachgebildeten Epidermis zurück. Diese kann die Oberflächen­reflexion unter fünf Prozent halten, auch wenn der Licht­einfall­swinkel fast 80 Grad beträgt. Darüber hinaus fungiert jede einzelne der nach­gebildeten epidermalen Zellen als Mikrolinse, wie Unter­suchungen mit einem Kon­fokal-Laser­mikroskop zeigten. Der Mikro­linsen­effekt verlängert den optischen Pfad innerhalb der Solar­zelle, steigert die Licht-Materie-Inter­aktion und erhöht die Wahrschein­lichkeit, dass die Licht­teilchen absorbiert werden.

„Unsere Methode lässt sich sowohl auf weitere Pflanzen­arten als auch auf andere Photo­voltaik­technologien anwenden“, erklärt Guillaume Gomard. „Da die Ober­flächen von Pflanzen multi­funktional sind, könnte es künftig möglich sein, von ihnen mehrere Eigen­schaften in einem Schritt zu übernehmen.“ Die Arbeit der Forscher wirft darüber hinaus eine grund­legende Frage auf: Welche Rolle spielt Unordnung in komplexen photo­nischen Strukturen? Zu dieser Frage laufen weitere Unter­suchungen, von deren Ergebnissen die nächste Generation von Solar­zellen profi­tieren könnte. (Quelle: KIT)

Referenz: R. Hünig et al.: Flower Power: Exploiting Plants’ Epidermal Structures for Enhanced Light Harvesting in Thin-Film Solar Cells, Adv. Opt. Mat., online 30. Mai 2016; DOI: 10.1002/adom.201600046

Links: Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Stuttgart • Lichttechnisches Institut, Karlsruhe Institut für Technologie KIT, Karlsruhe

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