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

„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.

KIT / RK