Oberflächen nach dem Vorbild der Rose machen Solarzellen effizienter

"Flower Power" für mehr Solarstrom

Von der Natur abgeschaut: Blütenblätter der Rose sind das Vorbild für eine neuartige Oberflächenstruktur, die organische Solarzellen effizienter macht. Ihre Oberfläche ist mit Mikrostrukturen und Nanonoppen versehen, die antireflektierend wirken und dadurch die Lichtaufnahme steigern.

Rosenblaetter

Rosenblütenblätter erscheinen dank einer speziellen Mikrostruktur so intensiv farbig. (Foto:  Swetlana Wall / Fotolia)

Für die Photovoltaik gilt im Prinzip das gleiche wie für die Photosynthese der Pflanzen: Die Energieausbeute ist umso größer, je mehr Licht absorbiert werden kann. Es gilt daher, das Lichtspektrum der Sonne möglichst breit zu nutzen und im Laufe des Tages Licht aus verschiedenen Einfallswinkeln aufzunehmen. Pflanzen haben diese Kunst in ihrer langen Evolution perfektioniert.

Vorbild Rosenblüte

Grund genug für Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), sich für die Entwicklung besserer Solarzellen an der Natur zu orientieren. Auf der Suche nach geeigneten Vorbildern stießen sie auf eine besonders raffinierte Konstruktion: die Epidermis der Rosenblütenblätter. Sie besteht aus einem ungeordneten Feld dicht gedrängter Mikrostrukturen, zusätzlich gerippt durch zufällig platzierte Nanostrukturen.

Der praktische Effekt dieses Naturpatents: Die Mikrostruktur minimiert die Reflexion des Sonnenlichts. Das sorgt für stärkere Farbkontraste und erhöht damit die Chance auf Bestäubung. Gleichzeitig aber trägt diese Oberfläche dazu bei, dass mehr Licht absorbiert wird. Und genau diesen Effekt wollten sich die Forscher für ihre Solarzellen zunutze machen.

Pflanzenhaut aus transparentem Polymer

Um die Struktur der Blütenepidermis über eine größere Fläche exakt zu reproduzieren, verwendeten die Forscher die Blütenblätter quasi als Schablone: Sie übertrugen sie in eine Form aus Polydimethylsiloxan, einem Polymer auf Siliziumbasis. Die dabei entstandene Negativstruktur drückten sie wiederum in einen optischen Kleber ein und ließen diesen unter UV-Bestrahlung aushärten.

"Diese Methode ist einfach und kostengünstig und erzeugt Mikrostrukturen von einer Tiefe und Dichte, wie sie sich mit künstlichen Techniken kaum erreichen lassen", berichtet Guillaume Gomard vom KIT. Das Resultat war eine transparente Nachbildung der Rosenblütenblätter-Epidermis. Mit dieser "verzierten" sie anschließend die Oberfläche einer organischen Solarzelle und ermittelten, ob und wie stark diese Mikrostruktur die Lichtausbeute und damit die erzeugte Strommenge veränderte.

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Die Epidermis eines Rosenblütenblatts wird in einer transparenten Schicht nachgebildet; diese wird in die Vorderseite einer Solarzelle integriert. (Grafik: Guillaume Gomard/ KIT)

Doppelter Effekt

Und tatsächlich: Die von den Rosen abgeschaute Oberfläche kommt auch den Solarzellen zugute. Die Mikrostruktur-Beschichtung erhöhte die Effizienz der Solarzellen gegenüber den herkömmlichen Modellen um zwölf Prozent, wie die Forscher berichten. Bei sehr flachen Einfallswinkeln fiel die Effizienzsteigerung sogar noch höher aus.

Diese Wirkung beruht dabei auf gleich zwei Faktoren: Zum einen sorgt die "Rosen-Struktur" für eine sehr gute richtungsunabhängige Antireflexwirkung der Solarzellenoberfläche. Diese kann die Oberflächenreflexion unter fünf Prozent halten, auch wenn der Lichteinfallswinkel fast 80 Grad beträgt. Zum anderen wirkt jede einzelne der nachgebildeten epidermalen Zellen als Mikrolinse, wie Untersuchungen mit einem Konfokal-Lasermikroskop zeigten. Der Mikrolinseneffekt verlängert den optischen Pfad innerhalb der Solarzelle, steigert die Licht-Materie-Interaktion und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Lichtteilchen absorbiert werden.

Nach Ansicht der Wissenschaftler lohnt es sich in jedem Fall, dieses Patent der Natur zu kopieren. Gerade die Oberflächenstrukturen der Pflanzen bieten viele Vorteile, die man sich auch für Solarzellen zunutze machen kann. "Unsere Methode lässt sich sowohl auf weitere Pflanzenarten als auch auf andere Photovoltaiktechnologien anwenden", erklärt Gomard. "Weil die Oberflächen von Pflanzen multifunktional sind, könnte es künftig möglich sein, von ihnen mehrere Eigenschaften in einem Schritt zu übernehmen."

Quelle: Karlsruhe Institut für Technologie, Fachartikel: Advanced Optical Materials, doi: 10.1002/adom.201600046

Artikelinformationen
Rubrik Umwelt / von Nadja Podbregar / 28.06.2016
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