Vorbild Natur Schmetterling inspiriert bessere Solarzellen-Oberfläche

Damit Solarzellen weniger Energie durch die Reflexion von Sonnenlicht verlieren, haben Wissenschaftler eine Nanostrukturoberfläche entwickelt. Inspiriert wurden die Forscher von einem pechschwarzen Schmetterling.

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KIT Karlsruher Institut für Technologie

Solarzellen ziehen ihre Energie aus dem Sonnenlicht – doch auf dem Weg dorthin geht viel Energie verloren. Zum Beispiel durch die Reflexion der Solarzellen selbst, da die einen Teil des einfallenden Sonnenlichts zurückwerfen. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wollen dieses Problem jetzt behoben haben – durch die Hilfe eines tiefschwarzen Schmetterlings.

Der Schmetterling „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnet sich durch sein pechschwarzes Gewand aus. Seine Flügel scheinen das Licht zu verschlucken. Das schafft er durch bestimmte Nanostrukturen, kleinste Löcher, die Licht deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Die Forscher des KIT haben diese Nanostrukturen jetzt auf die Oberflächen von Solarzellen übertragen. Die Licht-Absorptionsrate konnten sie so um bis zu 200 Prozent steigern.

Nanostruktur vom Flügel auf Solarzelle übertragen

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Die Wissenschaftler um Hendrik Hölscher und Radwanul Siddique 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. „Das ist vor allem für europäische Lichtverhältnisse interessant, da hier häufig diffuses Licht herrscht und das Licht nur selten senkrecht auf die Solarzellen fällt“, sagt Hölscher vom Institut für Mikrostrukturtechnik am KIT.

Das bedeute allerdings nicht automatisch eine Effizienzsteigerung der gesamten PV-Anlage in gleicher Höhe, erläutert Guillaume Gomard vom IMT. „Auch andere Komponenten spielen eine Rolle. Die 200 Prozent sind daher eher als theoretische Obergrenze für die Effizienzsteigerung zu sehen.“

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.

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