Schmetterlingsflügel 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 ist es nun gelungen, diese Nano­struk­turen auf Solar­zellen zu über­tragen und deren Licht-Absorp­tions­rate so um bis zu zwei­hundert Prozent zu steigern.

Das Prinzip der Nanostrukturen auf dem Flügel von Pach­li­opta aristo­lo­chiae lassen sich auf Solar­zellen über­tragen und steigern deren Absorp­tions­raten um bis zu zwei­hundert Prozent. (Bild: R. H. Siddique, KIT / Caltech)

„Der von uns unter­suchte Schmetter­ling hat eine augen­schein­liche Be­son­der­­heit: Er ist extrem schwarz. 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 Hen­drik Höl­scher vom KIT.

Die Wissenschaftler um Hölscher 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 fünfzig Grad sogar 207 Prozent erreicht. „Das ist vor allem für europä­ische Licht­ver­hält­nisse inte­res­sant, da hier häufig diffuses Licht herrscht und das Licht nur selten senk­recht auf die Solar­zellen fällt“, sagt Hölscher. Das bedeutet aller­dings nicht auto­ma­tisch eine Effi­zienz­steige­rung der gesamten PV-Anlage in gleicher Höhe. Denn auch andere Kompo­nenten spielen eine Rolle. Die zwei­hundert Prozent sind daher eher als theo­re­tische Ober­grenze für die Effi­zienz­steige­rung zu sehen.

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. (Quelle: KIT / pro-physik.de)

Referenz: R. H. Siddique et al.: Bioinspired phase-separated disordered nanostructures for thin photovoltaic absorbers, Sc. Adv., online 18. Oktober 2017; DOI: 10.1126/sciadv.1700232

Link: Biomimetic Surfaces and Scanning Probe Technologies (H. Hölscher), Institut für Mikrostrukturtechnik, Karlsruher Institut für Technologie

Speak Your Mind

*