Schmetterling als Vorbild für effizientere Solarzellen

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Solarzellen werden aus Halbleitern hergestellt. "In der Photovoltaik, d.h. im Fall der Wandlung von optischer in elektrische Energie, verwendet man i. Allg. reine Halbleiter (z. B. Silizium Si) oder Verbindungshalbleiter(z. B. Galliumarsenid GaAs oder Kupferindiumselenid CuInSe₂)", beschreibt die Grundstoffe Springer Vieweg-Autor Andreas Stadler auf Seite 2 in der Einleitung seines Buches Photonik der Solarzellen.

Das Problem durch diese Grundstoffe und deren Schutzverkleidung liegt in der Reflexion des Sonnenlichtes. Alles, was an Strahlung zurückgeworfen wird, geht bereits vor der Energienutzung verloren. Ein Trick aus der Natur soll dies ändern.

Besser als glatte Oberfläche

Forscher des Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) fanden in der Natur nun eine Oberfläche, mit der die Reflexion ungewöhnlich stark eingedämmt werden kann. Sie gehört einem vor allem in Ostasien vorkommenden Schmetterling namens Gewöhnliche Rose (Pachliopta aristolochiae) und zeichnet sich durch Nanostrukturen aus. Diese kleinsten Löcher können Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Die KIT-Forscher übertrugen diese Nanostrukturen auf Solarzellen und steigerten deren Licht-Absorptionsrate um bis zu 200 Prozent.

"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", so Hendrik Hölscher vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT. Noch spannender seien die Mechanismen, mit denen er die hohe Absorption erreiche. 

Die Wissenschaftler bildeten die Schmetterlings-Nanostrukturen auf der Siliziumschicht einer Dünnfilm-Solarzelle nach. Dafür ermittelten sie Durchmesser und Anordnung der Nanolöcher auf dem Flügel des Schmetterlings mittels Mikrospektroskopie. Eine Computersimulation ergab die Stärke der Lichtabsorption bei unterschiedlichen Lochmustern. Unregelmäßig angeordnete Löcher mit variierenden Durchmessern zeigten dabei die stabilsten Absorptionsraten. So wurden die Löcher auf der Solarzelle zufällig und mit unterschiedlichen Durchmessern von 133 bis 343 Nanometern angeordnet.

Bisher nur theoretisch nutzbar

Die Absorptionsrate wurde bei senkrechtem Lichteinfall um 97 Prozent gesteigert und bis zu einem Einfallswinkel von 50 Grad auf 207 Prozent. Gerade diese Winkel seien für europäische Verhältnisse interessant, da die Sonnenstrahlung hier nur selten senkrecht auf die Solarmodule träfe.
Noch sind diese Potenziale bei Solarzellen eher theoretischer Natur, da die Anlagenkomponenten auch dafür ausgelegt sein müssen. Dabei ist die Anwendung aus Karlsruhe nur eine im Nanobereich, die bei Solarzellen eingesetzt werden kann.

"Die Anwendungsmöglichkeiten von CNTs (Kohlenstoffnanoröhren, Anm. d. Red.)
in der Photovoltaik sind vielfältig. Dabei sind vor allem die folgenden Ansätze verfolgt worden:

1. Kontaktmaterial als Ersatz von ITO und anderen transparenten leitfähigen Materialien (TCO) in Kombination mit traditionellen organischen und inorganischen Solarzellen
2. Teil der aktiven Schicht in organischen Solarzellen 
3. Hetero-Emitter in Kombination mit konventionellen Absorberschichten,"

nennen die Springer Vieweg-Autoren Heinz-Christoph Neitzert, Ulrich Hilleringmann und Wolfgang R. Fahrner in ihrem Buchkapitel Auf Nanostrukturen beruhende innovative elektronische Bauelemente auf Seite 284 weitere Einsatzmöglichkeiten.