05. 01. 2018

Vom Schmetterling abgeschaut

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

Schmetterlinge als Vorbilder für Solarenergie – Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie ist es gelungen, die Nanostruktur von Schmetterlingsflügeln auf Solarzellen zu übertragen. Dadurch können sie deren Licht-Absorptionsrate um bis zu 200 Prozent steigern. 

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. Übertragen auf Solarzellen wird weniger Sonnenlicht reflektiert, welches sonst als ungenutzte Energie verloren ginge.

Nanostruktur der Schmetterlingsflügel auf Siliziumschicht nachgebildet

Mit seiner dunkelschwarzen Färbung besitzt der untersuchte Schmetterling eine optimale Wärmegewinnung. Besonders spannend für die Forscher waren allerdings seine Mechanismen zur Absorption des Lichts: „Das Optimierungspotenzial, das eine Übertragung dieser Strukturen für die Photovoltaik hat, fiel deutlich höher aus, als wir vermutet hatten“, so Dr. Hendrik Hölscher vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) in Karlsruhe.

Mit dieser Idee ermittelten die Forscher zunächst Durchmesser und Anordnung der Nanolöcher auf den Schmetterlingsflügeln und analysierten anschließend in einer Computersimulation die Stärke der Licht-Absorption bei unterschiedlichen Lochmustern. Unregelmäßig angeordnete Löcher mit variierenden Durchmessern, so wie sie beim Schmetterling zu finden sind, erzielten dabei die stabilsten Absorptionsraten. Daraufhin bildeten die Wissenschaftler die beim Schmetterling identifizierten Nanostrukturen auf der Siliziumschicht einer Dünnfilm-Solarzelle nach.

Höhere Absorptionsraten und 200 Prozent Effizienzsteigerung

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. „Dies ist vor allem für europäische Lichtverhältnisse interessant, da hier häufig diffuses Licht herrscht und das Licht nur selten senkrecht auf die Solarzellen fällt“, so Hölscher.

Das bedeute allerdings nicht automatisch eine Effizienzsteigerung der gesamten Photovoltaik-Anlage in gleicher Höhe, so Guillaume Gomard vom IMT. „Auch andere Komponenten spielen eine Rolle. Die 200 Prozent sind daher eher als theoretische Obergrenze für die Effizienzsteigerung zu sehen.“ Die Wissenschaftler konnten mit ihrer Forschung also zeigen, dass durch die Wegnahme von Material die Lichtausbeute erheblich gesteigert werden kann. Geeignet sei dabei jede Art von Dünnfilm-Photovoltaik-Modulen – sogar in industriellem Maßstab.

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