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Bessere Photovoltaik : Solarzellen nach Schmetterlingsart

Solarpark bei Frankfurt an der Order Bild: dpa

Ein Schmetterlingsflügel stand Pate: Dünne Siliziumschichten absorbieren deutlich mehr Sonnenlicht, wenn man sie mit winzigen Löchern durchsetzt.

          2 Min.

          Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium führen wegen ihres geringen Wirkungsgrades in der Photovoltaik noch immer ein Schattendasein. Dabei haben sie gegenüber den leistungsfähigeren kristallinen Varianten einen entscheidenden Vorteil: Bei der Herstellung benötigt man weitaus weniger Material. Dadurch sind die Produktionskosten geringer, und großflächige Photovoltaik-Anlagen werden günstiger. Könnte man den Wirkungsgrad – er erreicht nur knapp zehn Prozent – steigern, würde den kristallinen Solarzellen somit eine echte Konkurrenz erwachsen. Einen vielversprechenden Weg, die Effizienz der Dünnschichtzellen zu steigern, haben Wissenschaftler vom Karlsruher Institut für Technologie aufgetan. Der entscheidende Wegweiser waren die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Pachliopta aristolchiae besitzt eine optische Besonderheit. Große Teile seiner Flügel und seines Körpers sind pechschwarz. Das liegt daran, dass der Schmetterling das sichtbare Sonnenlicht fast vollständig absorbiert. Auf diese Weise reguliert er seine Körpertemperatur. Lange war der Mechanismus unbekannt, über den Pachliopta das Sonnenlicht so effizient anzapft.

          Schwarzer Schmetterling Pachliopta aristolochiae
          Schwarzer Schmetterling Pachliopta aristolochiae : Bild: Radwanul Hasan Siddique, KIT/Caltech.

          Heute weiß man, dass dafür winzige Löcher verantwortlich sind, mit denen die dunkel pigmentierten Flügel durchsetzt sind. Die Öffnungen sind unregelmäßig angeordnet und weisen im Mittel einen Durchmesser von 300 Nanometer auf. Die Forscher um Hendrik Hölscher hatten schon länger die Idee, die Struktur der Flügel von Pachliopta auf Solarzellen aus amorphem Silizium zu übertragen und so das Absorptionsvermögen der Bauteile kräftig zu steigern. Denn noch immer wird ein Großteil der auf eine Solarzelle auftreffenden Sonnenstrahlung an der Oberfläche reflektiert und geht dadurch für die Stromerzeugung verloren. Könnte man das Absorptionsvermögen erhöhen, würde sich – so die Überlegung – auch der Wirkungsgrad verbessern. In Computersimulationen ermittelten die Forscher für verschiedene Lochmuster die Stärke der Lichtabsorption.

          Probe aufs Silizium-Exempel

          Dabei zeigte sich, dass man bei unregelmäßig angeordneten Löchern mit Durchmessern, wie man sie typischerweise bei Pachliopta aristolchiae antrifft, die besten Werte erhält – konstant über das gesamte sichtbare Spektrum und bei verschiedenen Einfallswinkeln.

          Um die Berechnungen zu überprüfen, beschichteten die Forscher dünne Glasplättchen mit feinen Siliziumfilmen. Die Schichtdicken betrugen jeweils nur etwa 130 Nanometer. In einige der Proben ätzten sie die zuvor modellierten unregelmäßigen Lochmuster. Die Größe der Löcher variierten sie zwischen 130 und 340 Nanometer. Die abschließende Analyse lieferte vielversprechende Resultate.

          Nanometergroße Löcher in einer 0,13 Mikrometer dicken Siliziumschicht
(rasterelektronenmikroskopische Aufnahme)
          Nanometergroße Löcher in einer 0,13 Mikrometer dicken Siliziumschicht (rasterelektronenmikroskopische Aufnahme) : Bild: Radwanul Hasan Siddique, KIT/Caltech

          Im Vergleich zur glatten Siliziumoberfläche zeigte der nach dem Vorbild der Schmetterlingsflügel strukturierte Halbleiter eine Steigerung des Absorptionsvermögens um fast hundert Prozent bei senkrechtem Lichteinfall. Lag der Einfallswinkel bei etwa fünfzig Prozent, nahm die Siliziumschicht sogar zweihundert Prozent mehr Sonnenlicht auf, schreiben die Forscher in der Zeitschrift „Science Advances“. Dass bei flachen Winkeln mehr Licht aufgenommen wird, ist bei den in weiten Teilen Europas typischen diffusen Lichtverhältnissen ein deutlicher Vorteil. Nun wollen Hölscher und seine Kollegen ihr Konzept an einer funktionierenden Siliziumzelle demonstrieren.

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