Wie ein Schmetterling Neue Oberflächenstruktur für Pv-Anlagen

Nanostrukturen auf dem Flügel von Pachliopta aristolochiae lassen sich auf Solarzellen übertragen und steigern deren Absorptionsraten um bis zu 200 Prozent
Nanostrukturen auf dem Flügel von Pachliopta aristolochiae lassen sich auf Solarzellen übertragen und steigern deren Absorptionsraten um bis zu 200 Prozent

Solarzellen reflektieren Licht und damit ungenutzte Energie. Die Flügel des Schmetterlings »Gewöhnliche Rose« absorbieren Licht deutlich besser als glatte Oberflächen. Forschern am KIT ist es nun gelungen, diese Strukturen auf Solarzellen zu übertragen und übertrafen damit ihre Erwartungen.

Der Schmetterling »Pachliopta aristolochiae« auch bekannt als »Gewöhnliche Rose« hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Damit geling es ihm Sonnenlicht besonders gut zu absorbieren. Der hohe Grad an Wärmegewinnung liegt aber nicht nur an seiner Farbe sondern vor allem an der Struktur seiner Flügel. Löcher im Nanobereich absorbieren Licht deutlich besser als eine glatte Oberfläche.

Die Wissenschaftler um Dr. Hendrik Hölscher vom Karlsruher Institut für Technologie und Radwanul H. Siddique (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 Prozent und steigert sich stetig, bis sie bei einem Einfallswinkel von 50 Grad sogar 207 Prozent erreicht. Eine gute Nachricht, vor allem für Europäer, da hier häufig diffuses Licht herrscht und Sonnenstrahlen nur selten senkrecht auf die Solarzellen treffen.

Zufällig und unterschiedlich

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.

Mehr durch weniger

Eine Effizienzsteigerung um 200 Prozent ist aber eher als theoretische Obergrenze zu sehen und nicht direkt auf eine gesamte PV-Anlage übertragbar. Die Wissenschaftler konnten aber 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.