Flügel als Energielieferant (Grafik: Radwanul H. Siddique, KIT/CalTech)

Karlsruhe (pte013/19.10.2017/10:30) –

Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) http://kit.edu haben Nanostrukturen, wie sie sich auf den Flügeln des Schmetterlings
"Gewöhnliche Rose" befinden, auf Solarzellen übertragen. In der Folge
konnte deren Licht-Absorptionsrate um bis zu 200 Prozent gesteigert
werden. Das Geheimnis dahinter: Kleinste Löcher absorbieren Licht über
ein breites Spektrum deutlich besser als glatte Oberflächen.

Viel effizienter als gedacht

"Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine
augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt
daran, dass er für eine optimale Wärmegewinnung das Sonnenlicht
besonders gut absorbiert. Noch spannender als sein Aussehen sind für uns
die Mechanismen, mit denen er die hohe Absorption erreicht. Das
Optimierungspotenzial, das eine Übertragung dieser Strukturen für die
Photovoltaik hat, fiel deutlich höher aus, als wir vermutet hatten", so
KIT-Forscher Hendrik Hölscher.

Die Wissenschaftler haben die beim Schmetterling
identifizierten Nanostrukturen auf der Siliziumschicht einer
Dünnfilm-Solarzelle nachgebildet. Die anschließende Analyse der
Licht-Absorption lieferte vielversprechende Ergebnisse: Im Vergleich zur
flachen Oberfläche steigt die Absorptionsrate bei senkrechtem
Lichteinfall um 97 Prozent und erhöht 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", fügt Hölscher ergänzend hinzu.

Unterschiedliche Lochmuster

Vor dem Übertragen der Nanostrukturen wurden sowohl
Durchmesser als auch Anordnung der Nanolöcher auf dem Flügel des
Schmetterlings mittels Mikrospektroskopie ermittelt. 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. Die Löcher auf der Solarzelle haben
Durchmesser von 133 bis 343 Nanometern.

Die Karlsruher Fachleute konnten mit ihrer Forschung
zeigen, dass sich durch die Wegnahme von Material die Lichtausbeute
erheblich steigern lässt. Im Projekt arbeiteten sie mit amorphem
Silizium. Allerdings, so die Forscher, ließe sich jede Art von
Dünnfilm-Photovoltaik-Modulen mit solchen Nanostrukturen verbessern,
sogar in industriellem Maßstab.