Bionik 21.11.2018, 06:58 Uhr

Schmetterlingsflügel verbessert Solarzellen

Wenn man Solarzellen mit Nanostrukturen bedeckt, kann das gesamte Spektrum der Sonnenstrahlen absorbiert werden. Schuld daran sind winzige Löcher mit unterschiedlichen Durchmessern. Die Absorption ließe sich so um bis zu 200% verbessern. Für diese Entdeckung erhielten Forscher des KIT nun den Bionic Award des VDI.

Nanostrukturen mit unterschiedlich geformten Löchern

Was Sie hier sehen ist die mikrospektroskopische Aufnahme eines Schmetterlingsflügels.

Foto: Radwanul Hasan Siddique/Caltech

Schmetterling der Art "Gewöhnliche Rose"

Der Flügel gehört zu einem Schmetterling der Art "Gewöhnliche Rose".

Foto: Radwanul Hasan Siddique/Caltech

Modell der Übertragung von der Natur auf eine photovoltaische Anwendung

Und so haben die Forscher die Funktionsweise aus der Natur (links) auf eine Solarzelle übertragen.

Foto: Radwanul Hasan Siddique/Caltech

Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ oder auch Pachliopta aristolochiae erscheinen extrem schwarz. Das hat die Natur ganz schön clever gemacht. Denn das Insekt liebt Wärme. Tiefes Schwarz sorgt dafür, dass die Strahlen der Sonne nahezu vollständig absorbiert werden.

Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben die Flügel genau unter die Lupe genommen. Dabei entdeckten sie die Ursache der Schwarzfärbung. Die Oberfläche ist nanostrukturiert, sie weist Löcher mit einem Durchmesser von einigen Millionstel Millimetern auf. Diese Struktur ist es, die für die phänomenale Absorptionsrate sorgt.

Extreme Absorption ist vor allem in Europa wichtig

Hendrik Hölscher vom KIT-Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und Radwanul H. Siddique, der mittlerweile vom KIT zum California Institute of Technology gewechselt ist, übertrugen die Nanostruktur des Schmetterlingsflügels auf eine Dünnschichtsolarzelle. Im Vergleich zu einer flachen Oberfläche steigt dadurch die Absorptionsrate bei senkrechtem Lichteinfall um 97%. Wenn sich der Winkel ändert, steigt sie sogar auf maximal 207%. „Dies ist vor allem für europäische Verhältnisse interessant, da hier häufig diffuses Licht herrscht und nur selten senkrecht auf die Solarzellen fällt“, sagt Hölscher.

Für ihre Forschung erhielten die beiden Wissenschaftler jetzt den mit 10.000 Euro dotierten Bionic Award, den der Verein Deutscher Ingenieure gemeinsam mit der Schauenburg-Stiftung in Mülheim an der Ruhr alle zwei Jahre für herausragende Forschungsarbeiten in der bionischen Produktentwicklung verleihen. Bionik steht dabei für die technische Umsetzung von natürlichen Entwicklungen.

Effizienzsteigerung bei Solarzellen ist geringer

Die Verbesserung der Absorptionsrate bedeute allerdings nicht automatisch eine Effizienzsteigerung der gesamten Photovoltaikanlage in gleicher Höhe, so Guillaume Gomard vom IMT. „Auch andere Komponenten spielen eine Rolle. Die 200% sind daher eher als theoretische Obergrenze für die Effizienzsteigerung zu sehen.“

Zunächst ermittelten die Forscher Durchmesser und Anordnung der Nanolöcher auf dem Flügel des Schmetterlings mittels Mikrospektroskopie. Per Computersimulation analysierten sie danach die Veränderung der Absorption, wenn sich die Lochdurchmesser veränderten. Dabei zeigte sich, dass ein Mix aus Löchern mit Durchmessern zwischen 133 bis 343 Nanometern die besten Ergebnisse brachte.

Die Forscher testeten die Strukturen an Dünnschichtzellen auf polymorphem Silizium. Das Verfahren funktioniere jedoch auch bei anderen Dünnschichtzellen, sagt Hölscher. Ehe es allerdings industriell genutzt werden kann, vergehen bestimmt noch einige Jahre, glaubt der Forscher. Derzeit läuft ein Antrag bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft, um die Finanzierung der weiteren Entwicklung abzusichern. Es gehe jetzt darum, ein kostengünstiges Verfahren zu finden, mit dem sich die Oberflächen strukturieren lassen.

Auch Glasflügler sind Vorbilder für Ingenieure

Zuvor hatten die KIT-Forscher schon die Flügel des Glasflüglers untersucht. Sie erscheinen durchsichtig, reflektieren jedoch praktisch kein Licht. Auch daran sind Nanostrukturen schuld, die an winzige Säulen erinnern. Wenn diese sich nachbauen ließen, könnte das alle Oberflächen, bei denen Reflexionen unerwünscht sind, revolutionieren. Darunter fielen etwa Displays von Smartphones oder Computern, Schaufensterscheiben und Brillengläsern. Je nach Blickwinkel reflektieren diese Oberflächen, wenn sie nicht entspiegelt sind, zwischen 8% und 100% des einfallenden Lichts. Beim Glasflügler sind es zwischen 2% und 5%.

 

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Kit-Forscher haben auch Solarzellen nach dem Vorbild der Rose optimiert

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