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Natur inspiriert Solareffizienz Schmetterlingsflügel als Vorbild für sonnenhungrige PV

24.10.2017

Nanostrukturen auf den Flügeln von Schmetterlingen sorgen dafür, dass diese mehr Sonnenlicht absorbieren. Auf Solarzellen übertragen könnte das Naturvorbild die Absorption um bis zu 200 Prozent steigern.

Sonnenlicht, das von Solarzellen mit ihrer glatten Oberfläche reflektieren, geht als ungenutzte Energie verloren. Etwas geschickter macht es der Schmetterling „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae): Die Nanostrukturen seiner Flügel absorbieren Licht über ein breites Spektrum deutlich besser als glatte Oberflächen.

200 Prozent mehr Licht ernten

Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Allerdings ist das nur als theoretische Obergrenze zu verstehen, da auch andere Komponenten bei PV-Anlagen die Effizienz beeinflussen.

Warum ausgerechnet der Schmetterling Gewöhnliche Rose von den Forscher untersucht wurde, wird auf den ersten Blick klar: Er ist extrem dunkelschwarz. Deshalb absorbiert er das Sonnenlicht für eine optimale Wärmegewinnung besonders gut.

Die KIT-Wissenschaftler 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.

Dies sei vor allem für europäische Lichtverhältnisse interessant, die sich häufig durch diffuses Licht auszeichnen. Zudem fällt das Licht nur selten senkrecht auf die Solarzellen.

Mikrospektroskopie brachte Aufschluss über Nanolöcher

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.

Die Wissenschaftler konnten mit ihrer Forschung zeigen, dass durch die Wegnahme von Material die Lichtausbeute erheblich gesteigert werden kann. Im Projekt arbeiteten sie mit amorphem Silizium, allerdings, so die Forscher, ließe sich jede Art von Dünnfilm-PV-Modulen mit solchen Nanostrukturen verbessern, sogar in industriellem Maßstab.

Bildergalerie

  • Nanostrukturen auf dem Flügel von Pachliopta aristolochiae lassen sich auf Solarzellen übertragen und steigern deren Absorptionsraten um bis zu 200 Prozent

    Bild: Radwanul Hasan Siddique, Caltech

  • Detaillierte Darstellung der Übertragung der Struktur vom Schmetterling auf Solarzellen

    Bild: Radwanul Hasan Siddique, Caltech

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