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Schmetterlingsflügel helfen der Solarzellenforschung

Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik-Forschung: Die Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern. (Foto: © KIT)
Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik-Forschung: Die Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern. (Foto: © KIT)

Schwarze Schmetterlingsflügel mit einer besonderen Nanostruktur verhalfen Forschern zu einem Durchbruch in der Solarzellenforschung. Durch Übertragung der Struktur auf Solarzellen konnte eine Effizienzsteigerung von bis zu 200 Prozent erreicht werden.

23.10.2017 – Die dunkelschwarzen Flügel der Schmetterlingsart „Gewöhnliche Rose“ absorbieren Sonnenlicht besonders gut und sorgen somit für eine optimale Wärmegewinnung. Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, die Struktur dieser Flügel auf Solarzellen zu übertragen. „Noch spannender als sein Aussehen sind für uns die Mechanismen, mit denen er die hohe Absorption erreicht“, erläutert Hendrik Hölscher vom KIT. Unregelmäßig angeordnete Löcher mit variierenden Durchmessern auf den Flügeln sorgen für stabile Absorptionsraten, auch bei verschiedenen Einfallswinkeln. „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. Während bei einem senkrechten Lichteinfall die Absorptionsrate bereits um 97 Prozent steigt, potenziert sich diese bei einem Einfallswinkel von 50 Prozent sogar auf 207 Prozent. Dieser Anstieg sei jedoch als theoretische Obergrenze zu sehen, so Guillaume Gomard vom KIT.

Eine Alternative zu herkömmlichen Solarzellen

Damit eine Photovoltaikanlage Strom aus Licht produzieren kann, muss es dieses Licht erst einmal absorbieren, also die Lichtwellen einfangen. Herkömmliche kristalline Silizium-Solarzellen verfügen über eine flache Struktur und haben einen Wirkungsgrad von bis zu 22 Prozent. Sogenannte monokristalline Module, die besonders effektiv arbeiten und eine hohe Absorption aufweisen, stellen jedoch einen hohen Energie- und Kostenaufwand in der Produktion dar. Ein weiterer Nachteil: Je tiefer der Einfallswinkel der Sonne, desto schwieriger können flache Strukturen das Licht aufnehmen.

Mittels einer Mikrospektroskopie der Schmetterlingsflügel und anschließender Computersimulation konnten hohe Absorptionsraten aufgrund der unebenen Struktur festgestellt werden. Daraufhin wurden Nanolöcher auf einer Solarzelle angeordnet. Die optimale Größe lag dabei zwischen 133 und 343 Nanometern. Zum Vergleich: 500 Nanometer entsprechen 0,00005 cm.

Die natürlichen Strukturen wurden auf der Siliziumschicht einer Dünnfilm-Solarzelle nachgebildet – diese sind aufgrund ihres geringeren Rohstoffbedarfs eine ökologische und günstige Alternative zu herkömmlichen kristallinen Silizium-Solarzellen. Bislang wurden solche Solarmodule jedoch nur dort eingesetzt, wo wenig Strom benötigt wird, wie bei Taschenrechnern und Armbanduhren. Die Absorptionsraten waren bisher deutlich geringer als bei den herkömmlichen Modellen, mit einem Wirkungsgrad von unter 10 Prozent. Der Forschungserfolg des KIT könnte Dünnfilm-Zellen mit einer Nanostruktur auch für größere Projekte attraktiv machen. So würden Photovoltaik Anlagen nicht nur im Betrieb, sondern auch in der Anschaffung ökologisch weitaus reizvoller werden. mf


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