Energie: Forschung

Schmetterling inspiriert Photovoltaik: bis zu 200 % mehr Absorption

Schmetterling „Gewöhnliche Rose“
Schmetterling „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae). Bild: Wikimedia

Wissenschaftler zeigen, dass die Lichtausbeute durch die Wegnahme von Material bei Solarzellen erheblich gesteigert werden kann

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Der Schmetterling „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) hat Flügel, die sich durch Nanostrukturen auszeichnen, 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 % zu steigern [1].

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkel 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 Dr. Hendrik Hölscher vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) am KIT.

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 % und steigert sich stetig, bis sie 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“, sagt Hendrik Hölscher.

Schmetterling inspiriert Photovoltaik

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

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 % 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 nm 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.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232


Hintergrundinformation:

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.