KIT: Solarzelle mit Blütenblattstruktur Photovoltaik im Namen der Rose

Biomimetik: Die Epidermis eines Rosenblütenblatts wird in einer transparenten Schicht nachgebildet; diese wird in die Vorderseite einer Solarzelle integriert.
Biomimetik: Die Epidermis eines Rosenblütenblatts wird in einer transparenten Schicht nachgebildet; diese wird in die Vorderseite einer Solarzelle integriert.

Forscher des KIT steigern Effizienz von Solarzellen, indem sie die Struktur von Blütenblättern nachbilden.

Photovoltaik ähnelt im Prinzip der Photosynthese von Pflanzen: Sonnenlicht wird absorbiert und in elektrische Energie mit Hilfe von Solarzellen umgewandelt. Dabei sollte möglichst das gesammte Lichtspektrum der Sonne genutzt werden und Licht aus verschiedenen Einfallswinkeln aufgenommen werden, da sich der Einfallswinkel des Sonnenlichts mit dem Sonnenstand ändert. Forscher des KIT orientierten sich bei der Entwicklung von Solarzellen mit breitem Absorptionsspektrum und hoher Einfallswinkeltoleranz an der Natur. Die Wissenschaftler bildeten das äußere Abschlussgewebe, die sog. Epidermis von Pflanzenblättern in transparenten Schichten nach und integrierten diese Schichten in die Vorderseite von Solarzellen um deren Effizienz zu steigern. 

Zunächst untersuchten Forscher des KIT sowie ZSW (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg) die epidermalen Zellen verschiedener Pflanzenarten auf deren optische Eigenschaften, v. a. die Antireflexwirkung stand im Fokus der Forschungsaktivitäten. Die Antireflexwirkung ist bei Rosenblütenblättern besonders stark, da sie für stärkere Farbkontraste sorgt und damit die Chancen auf Bestäubung erhöht. Mit Hilfe von elektronenmikroskopischen Aufnahmen stellten Wissenschaftler fest, dass die Epidermis der Rosenblütenblätter aus ungeordneten, dicht gedrängten Mikrostrukturen besteht, die zusätzlich durch zufällig angeordnete Nanostrukturen gerippt ist (siehe Teaserbild). 

Um die Struktur dieser epidermalen Zellen über eine große Fläche zu reproduzieren, übertrugen die Forscher die Struktur auf Polydimethylsiloxan (Polymer auf Siliziumbasis). Anschließend drückten sie das entstandene Negativ (vgl. Photographie) in einen optischen Kleber und ließen diesen unter UV-Betrahlung aushärten.

„Diese Methode ist einfach und kostengünstig und erzeugt Mikrostrukturen von einer Tiefe und Dichte, wie sie sich mit künstlichen Techniken kaum erreichen lassen“, berichtet Dr. Guillaume Gomard.

Die transparente Nachbildung der Rosenblütenblätter-Epidermis wurde in eine organische Solarzelle integriert. Bei senkrechtem Lichteinfall erhöhte sich die Energieumwandlungseffizienz um 12 Prozent (relative Steigerung). Bei sehr flachen Einfallswinkeln konnte die Effizienz noch stärker erhöht werden. Die Forscher führen die Steigerung v. a. auf die richtungsunabhängige Antireflexwirkung der nachgebildeten Epidermis zurück. Durch Verwendung dieser Epidermis ist die Oberflächenreflexion < 5 Prozent; sogar bei Lichteinfallswinkeln von fast 80°. Außerdem fungiert jede nachgebildete epidermale Zelle als Mikrolinse, wie Untersuchungen mit Konfokal-Lasermikroskope zeigen. Der Mikrolinseneffekt verlängert den optischen Pfad innerhalb der Solarzelle, steigert die Licht-Materie-Interaktion und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Lichtteilchen absorbiert werden. 

„Unsere Methode lässt sich sowohl auf weitere Pflanzenarten als auch auf andere Photovoltaiktechnologien anwenden“, erklärt Guillaume Gomard. „Da die Oberflächen von Pflanzen multifunktional sind, könnte es künftig möglich sein, von ihnen mehrere Eigenschaften in einem Schritt zu übernehmen.“

Eine grundlegende Frage bleibt jedoch bislang unbeantwortet: Welche Rolle spielt Unordnung in komplexen photonischen Strukturen? 


Literaturquelle:

Ruben Hünig, Adrian Mertens, Moritz Stephan, Alexander Schulz, Benjamin Richter, Michael Hetterich, Michael Powalla, Uli Lemmer, Alexander Colsmann, and Guillaume Gomard:

“Flower Power: Exploiting Plants’ Epidermal Structures for Enhanced Light Harvesting in Thin-Film Solar Cells.”

Advanced Optical Materials, 2016.