Photovoltaikmodule: Was wir von Insekten lernen können
Den Forschern um Hendrik Hölscher und Radwanul Siddique vom Karlsruher Institut für Technologie, kurz KIT, ist ein Licht aufgegangen. Ausgangspunkt war die haargenaue Betrachtung eines Schmetterlingsflügels. Mit der neuen Erkenntnis haben die KITler einen großen Schritt gemacht, um die Effizienz von Solarzellen deutlich zu erhöhen – wenn auch vorerst nur theoretisch. Den Kollegen Siddique zog es mittlerweile nach Kalifornien ans dortige Institut für Technologie. Und es lässt sich sicher sagen, dass die Sonnenausbeute im US-Bundesstaat eindeutig höher ist.
Inspirationsquelle der Entdeckung war die Gewöhnliche Rose. Eine Schmettlingsart, die in Fachkreisen unter dem Namen Pachliopta Aristolochiae bekannt ist. Die Zweiflügler besitzen Nanostrukturen, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen.
In Europa ist die Effizienzsteigerung besonders relevant
Der untersuchte Schmetterling habe eine augenscheinliche Besonderheit, er sei extrem dunkelschwarz, erklärt Hölscher vom Institut für Mikrostrukturtechnik am KIT. „Das liegt daran, dass er für eine optimale Wärmegewinnung das Sonnenlicht besonders gut absorbiert.“ Noch spannender als sein Aussehen seien für die Forscher aber die Mechanismen, mit denen er die hohe Absorption erreiche.
Die Wissenschaftler bildeten die beim Schmetterling identifizierten Nanostrukturen auf der Siliziumschicht einer Dünnfilmsolarzelle nach. Die anschließende Analyse der Lichtabsorption lieferte gute Ergebnisse: Im Vergleich zu einer flachen Oberfläche steigt die Absorptionsrate bei senkrechtem Lichteinfall um 97 % und steigert sich stetig, bis sie bei einem Einfallswinkel von 50° sogar 207 % 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“, erläutert Hölscher. Allerdings bedeute dies keine automatische Effizienzsteigerung der gesamten Photovoltaikanlage in gleicher Höhe. Denn auch andere Komponenten spielen eine Rolle. Die 200 % seien eine theoretische Obergrenze für den Mehrertrag.
Werden Dünnschichtmodule nun erfolgreicher?
Vor dem Übertragen der Nanostrukturen auf die Solarzellen ermittelten die Forscher Durchmesser und Anordnung der Kleinstlöcher auf dem Flügel des Schmetterlings mittels Mikrospektroskopie. Anschließend analysierten sie in einer Computersimulation die Stärke der Lichtabsorption bei unterschiedlichen Lochmustern.
Im Projekt arbeiteten die Wissenschaftler mit amorphem Silizium, allerdings lasse sich jede Art von Dünnschichtmodulen mit solchen Nanostrukturen verbessern – sogar in industriellem Maßstab. Möglicherweise könnte die Dünnschichtphotovoltaik richtig abheben.
