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Bionik

Vorbild Schmetterling: Lichtabsorption verbessert

| Redakteur: Rebecca Vogt

Forscher haben die Nanostruktur eines Schmetterlings näher untersucht und ihre Erkenntnisse auf Solarzellen übertragen. Die Lichtabsorptionsrate der Solarzellen konnte so erheblich gesteigert werden – um bis zu 200 %.

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Die Nanostrukturen auf dem Flügel eines Schmetterlings konnten Forscher auf Solarzellen übertragen und so deren Absorptionsraten um bis zu 200 % steigern.
Die Nanostrukturen auf dem Flügel eines Schmetterlings konnten Forscher auf Solarzellen übertragen und so deren Absorptionsraten um bis zu 200 % steigern.
(Bild: Radwanul H. Siddique, KIT/Cal-Tech)

Die Natur ist uns in vielen Dingen überlegen. Forscher orientieren sich daher immer wieder an Vorbildern und Funktionsweisen aus der Natur, um innovative Lösungen für aktuelle technische Fragen und Probleme zu finden. Auch im Bereich der Solarenergie: Hier geht Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, als ungenutzte Energie verloren.

Um dieses Problem zu lösen, haben sich Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) an einem Schmetterling orientiert. Die Flügel des Tieres mit dem Namen „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus. Sie verfügen über kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Diese Nanostrukturen konnten die Wissenschaftler auf Solarzellen übertragen und so deren Lichtabsorptionsrate um bis zu 200 % steigern, wie das KIT mitteilt.

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

Lichtabsorption kann deutlich gesteigert werden

Die beim Schmetterling identifizierten Nanostrukturen bildeten die Wissenschaftler Hölscher und Radwanul H. Siddique (ehemals KIT, jetzt Cal-Tech) auf der Siliziumschicht einer Dünnfilm-Solarzelle nach. Bei der Analyse der Lichtabsorption zeigte sich: Im Vergleich zu einer flachen Oberfläche steigt die Absorptionsrate bei senkrechtem Lichteinfall um 97 %. Zudem steigert sie sich stetig, bis die Rate bei einem Einfallswinkel von 50° sogar 207 % 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“, erklärt Hölscher.

Allerdings bedeute eine gesteigerte Absorptionsrate nicht automatisch eine Effizienzsteigerung der gesamten PV-Anlage in gleicher Höhe, fügt Guillaume Gomard vom IMT an. „Auch andere Komponenten spielen eine Rolle. Die 200 % sind daher eher als theoretische Obergrenze für die Effizienzsteigerung zu sehen.“

Weniger Material, höhere Lichtausbeute

Mittels Mikrospektroskopie ermittelten die Forscher zunächst Durchmesser und Anordnung der Nanolöcher auf dem Flügel des Schmetterlings. In einer Computersimulation analysierten sie anschließend die Stärke der Lichtabsorption bei unterschiedlichen Lochmustern. Hier zeigte sich, dass unregelmäßig angeordnete Löcher mit variierenden Durchmessern die stabilsten Absorptionsraten über das gesamte Spektrum und verschiedene Einfallswinkel erzielten. Also ordneten die Wissenschaftler auch die Löcher auf der Solarzelle zufällig und mit unterschiedlichen Durchmessern im Bereich von 133 bis 343 nm an.

Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch die Wegnahme von Material die Lichtausbeute erheblich steigern lässt. Im Projekt arbeiteten sie mit amorphem Silizium. Allerdings ließe sich ihrer Ansicht nach jede Art von Dünnfilm-Photovoltaikmodulen mit solchen Nanostrukturen verbessern.

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