Solarzellen bei Nacht (Foto: Getty Images, Thinkstock -)

Solarzellen nach dem Vorbild der Natur Mehr Energie dank Schmetterling

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Er hat 9 bis 10 Zentimeter Flügelspannweite, hört auf den schönen Namen „Gewöhnliche Rose“ und ist tiefschwarz. „Pachliopta aristolochiae“, so sein lateinischer Name, ist ein Schmetterling, der nun die Energieerzeugung durch Sonnenlicht revolutionieren kann.

Spezielle Nanostruktur des Schmetterlingsflügel

Die Flügel des Schmetterlings, das zeigt das Rasterelektronenmikroskop, haben eine ganz spezielle Nanostruktur mit kleinsten Löchern, die unregelmäßig und mit verschiedenen Durchmessern angeordnet sind. Sie absorbieren das Licht über ein breites Spektrum offensichtlich deutlich besser, als es eine glatte Oberfläche tun würde. Der Grund: Die Nanolöcher haben einen kleineren Durchmesser als die Wellenlänge des Lichts und streuen das Licht daher beim Eindringen in die Flügeloberfläche in alle Richtungen. Dadurch verlängert sich der Weg der Strahlen und sie haben damit auch eine größere Chance, absorbiert zu werden.

Nanostrukturen des Schmetterlingsflügels (Foto: KIT -)
Nanostrukturen des Schmetterlingsflügels KIT -



Den Karlsruher Forscher ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und so deren Licht-Absorptionsrate zu steigern.
„Das Optimierungspotenzial durch die Übertragung dieser Strukturen auf die Photovoltaik“, sagt Dr. Hendrik Hölscher vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) am KIT“, fiel deutlich höher aus, als wir vermutet hatten“.

Mehr Energie aus Solarzellen

Normalerweise ist Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert und dadurch nicht aufgenommen wird, als ungenutzte Energie verloren. Bei der Analyse der dem Schmetterling nachempfundenen Oberfläche von Dünnfilm-Photovoltaik-Modulen zeigten sich nun, das sich die Reflektion deutlich verringert und die Strahlungsaufnahme deutlich verbessert. 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 nach Ansicht der Karlsruher Solar-Forscher vor allem für europäische Lichtverhältnisse interessant, da hier häufig diffuses Licht herrscht und das Licht nur selten senkrecht auf die Solarzellen fällt.

Inspiriert durch die Struktur des Schmetterlingsflügels: Solarzelle mit speziellen Nanostrukturen (Foto: KIT -)
Inspiriert durch die Struktur des Schmetterlingsflügels: Solarzelle mit speziellen Nanostrukturen KIT -

Weniger Rohstoffe bei Erzeugung von Solarmodulen

Die in Karlsruhe durch den Nachbau einer biologischen Struktur verbesserten Dünnfilm-Photovoltaik-Module sind eine wirtschaftliche Alternative zu herkömmlichen kristallinen Silizium-Solarzellen, da die lichtabsorbierende Schicht bis zu 1000-mal flacher ist und damit der Rohstoffbedarf deutlich kleiner ausfällt. Allerdings liegen die Absorptionsraten der dünnen Schichten bislang deutlich 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 Licht-Absorption mit Hilfe der Schmetterlingstechnik macht Dünnfilm-Zellen nun aber auch für größere Anwendungen wie Photovoltaik-Anlagen auf Dächern wirtschaftlich attraktiv.

Die Oberflächenstruktur hat Einfluss auf die Streuung des Lichts (Foto: KIT -)
Die Oberflächenstruktur hat Einfluss auf die Streuung des Lichts. Wenn weniger Licht reflektiert wird, können Solarzellen mehr Energie erzeugen. KIT -
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