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© saniphoto dreamstime.com Komponenten | 27 Juni 2016

"Flower Power": Photovoltaik nach dem Vorbild der Rose

Mit einer OberflÀche wie bei Pflanzen können Solarzellen mehr Licht aufnehmen und damit mehr Strom erzeugen.
Forscher des Karlsruher Instituts fĂŒr Technologie (KIT) reproduzierten die epidermalen Zellen von RosenblĂŒtenblĂ€ttern, die eine besonders starke Antireflexwirkung besitzen, und integrierten die transparente Nachbildung in eine organische Solarzelle. Dies fĂŒhrte zu einer relativen Erhöhung der Effizienz von zwölf Prozent. DarĂŒber berichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift Advanced Optical Materials. Photovoltaik Ă€hnelt im Prinzip der von Pflanzen betriebenen Photosynthese: Lichtenergie wird absorbiert und in eine andere Form von Energie konvertiert. Dabei ist es wichtig, das Lichtspektrum der Sonne möglichst breit zu nutzen und das Licht aus verschiedenen Einfallswinkeln aufzunehmen, da sich der Winkel mit dem Sonnenstand Ă€ndert. Pflanzen haben dies in ihrer langen Evolution erreicht – Grund genug fĂŒr Photovoltaikforscher, sich bei der Entwicklung von Solarzellen mit breitem Absorptionsspektrum und hoher Einfallswinkeltoleranz an der Natur zu orientieren. Wissenschaftler am KIT und am Zentrum fĂŒr Sonnenenergie­ und Wasserstoff­Forschung Baden­WĂŒrttemberg (ZSW) schlagen nun in der Zeitschrift Advanced Optical Materials vor, das Ă€ußere Abschlussgewebe von BlĂ€ttern höherer Pflanzen, die sogenannte Epidermis, in einer transparenten Schicht nachzubilden und diese in die Vorderseite von Solarzellen zu integrieren, um deren Effizienz zu steigern. ZunĂ€chst untersuchten die Forscher am Lichttechnischen Institut (LTI), Institut fĂŒr Mikrostrukturtechnik (IMT), Institut fĂŒr Angewandte Physik (APH) und Zoologischen Institut (ZOO) des KIT sowie am ZSW die epidermalen Zellen verschiedener Pflanzenarten auf ihre optischen Eigenschaften und vor allem ihre Antireflexwirkung. Diese erwies sich als besonders stark bei RosenblĂŒtenblĂ€ttern, bei denen sie fĂŒr stĂ€rkere Farbkontraste sorgt und damit die Chance auf BestĂ€ubung erhöht. Wie die Wissenschaftler unter dem Elektronenmikroskop feststellten, besteht die Epidermis der RosenblĂŒtenblĂ€tter aus einem ungeordneten Feld dicht gedrĂ€ngter Mikrostrukturen, zusĂ€tzlich gerippt durch zufĂ€llig platzierte Nanostrukturen. Um die Struktur dieser epidermalen Zellen ĂŒber eine grĂ¶ĂŸere FlĂ€che exakt zu reproduzieren, ĂŒbertrugen die Forscher sie in eine Form aus Polydimethylsiloxan, einem Polymer auf Siliziumbasis, drĂŒckten die so entstandene negative Struktur in einen optischen Kleber ein und ließen diesen unter UV-Betrahlung aushĂ€rten. „Diese Methode ist einfach und kostengĂŒnstig und erzeugt Mikrostrukturen von einer Tiefe und Dichte, wie sie sich mit kĂŒnstlichen Techniken kaum erreichen lassen“, berichtet Dr. Guillaume Gomard, Leiter der Gruppe Nanophotonik am LTI des KIT. Die Wissenschaftler integrierten die transparente Nachbildung der RosenblĂŒtenblĂ€tter-Epidermis in eine organische Solarzelle. Dadurch erhöhte sich die Energieumwandlungseffizienz bei senkrechtem Lichteinfall um zwölf Prozent (relative Steigerung). Bei sehr flachen Einfallswinkeln fiel die Effizienzsteigerung noch höher aus. Die Forscher fĂŒhren die Steigerung vor allem auf die hervorragende richtungsunabhĂ€ngige Antireflexwirkung der nachgebildeten Epidermis zurĂŒck. Diese kann die OberflĂ€chenreflexion unter fĂŒnf Prozent halten, auch wenn der Lichteinfallswinkel fast 80 Grad betrĂ€gt. DarĂŒber hinaus fungiert jede einzelne der nachgebildeten epidermalen Zellen als Mikrolinse, wie Untersuchungen mit einem Konfokal-Lasermikroskop zeigten. Der Mikrolinseneffekt verlĂ€ngert den optischen Pfad innerhalb der Solarzelle, steigert die Licht-Materie-Interaktion und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Lichtteilchen absorbiert werden. „Unsere Methode lĂ€sst sich sowohl auf weitere Pflanzenarten als auch auf andere Photovoltaiktechnologien anwenden“, erklĂ€rt Guillaume Gomard. „Da die OberflĂ€chen von Pflanzen multifunktional sind, könnte es kĂŒnftig möglich sein, von ihnen mehrere Eigenschaften in einem Schritt zu ĂŒbernehmen.“ Die Arbeit der Forscher wirft darĂŒber hinaus eine grundlegende Frage auf: Welche Rolle spielt Unordnung in komplexen photonischen Strukturen? Zu dieser Frage laufen weitere Untersuchungen, von deren Ergebnissen die nĂ€chste Generation von Solarzellen profitieren könnte. ----- Bildquelle: © Karlsruhe Institut of Technology
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2019.02.19 15:52 V12.2.2-2