12 Prozent mehr Effizienz durch Rosenblüten

Mit einer Oberfläche wie bei Pflanzen können Solarzellen mehr Licht aufnehmen und damit mehr Strom erzeugen, berichten KIT-Forscher in der Zeitschrift Advanced Optical Materials. Da auch Pflanzen bei der Photosynthese Lichtenergie absorbieren und in andere Energieformen umwandeln, sei es für sie wichtig, das Lichtspektrum der Sonne möglichst breit zu nutzen und das Licht aus verschiedenen Einfallswinkeln aufzunehmen. Pflanzen hätten dies in ihrer langen Evolution erreicht, schreiben die Forscher und stützen sich nun bei der Entwicklung von Solarzellen mit breitem Absorptionsspektrum und hoher Einfallswinkeltoleranz auf die Lösungen, die die Natur gefunden hat. Gemeinsam mit Wissenschaftlern des Zentrums für Sonnenenergie¬ und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) schlagen sie vor, das äußere Abschlussgewebe von Blättern höherer Pflanzen, die sogenannte Epidermis, in einer transparenten Schicht nachzubilden und diese in die Vorderseite von Solarzellen zu integrieren, um deren Effizienz zu steigern.

Zunächst untersuchten sie die epidermalen Zellen verschiedener Pflanzenarten auf ihre optischen Eigenschaften und vor allem auf ihre Antireflexwirkung. Diese erwies sich als besonders stark bei Rosenblütenblättern. Dort sorgt sie für stärkere Farbkontraste und erhöht damit die Chance auf Bestäubung. Wie die Wissenschaftler unter dem Elektronenmikroskop feststellten, besteht die Epidermis der Rosenblütenblätter aus einem ungeordneten Feld dicht gedrängter Mikrostrukturen, zusätzlich gerippt durch zufällig platzierte Nanostrukturen.

Um die Struktur dieser epidermalen Zellen über eine größere Fläche exakt zu reproduzieren, übertrugen die Forscher sie in eine Form aus Polydimethylsiloxan, einem Polymer auf Siliziumbasis, drückten die so entstandene negative Struktur 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 Dr. Guillaume Gomard, Leiter der Gruppe Nanophotonik am Lichttechnischen Institut des KIT.

Die Wissenschaftler integrierten die transparente Nachbildung der Rosenblüten-Epidermis in eine organische Solarzelle. Dadurch erhöhte sich die Energieumwandlungseffizienz bei senkrechtem Lichteinfall um zwölf Prozent. Bei sehr flachen Einfallswinkeln fiel die relative Effizienzsteigerung sogar noch höher aus. Die Forscher führen die Steigerung vor allem auf die hervorragende richtungsunabhängige Antireflexwirkung der nachgebildeten Epidermis zurück. Diese kann die Oberflächenreflexion unter fünf Prozent halten, auch wenn der Lichteinfallswinkel fast 80 Grad beträgt. Darüber hinaus fungiert jede einzelne der nachgebildeten epidermalen Zellen als Mikrolinse, wie Untersuchungen mit einem Lasermikroskop zeigten. Der Mikrolinseneffekt verlängere den optischen Pfad innerhalb der Solarzelle, steigere die Licht-Materie-Interaktion und erhöhe die Wahrscheinlichkeit, dass die Lichtteilchen absorbiert werden, schreiben die Wissenschaftler.

„Unsere Methode lässt sich sowohl auf weitere Pflanzenarten als auch auf andere Photovoltaiktechnologien anwenden“, erklärt Guillaume Gomard. „Da die Oberflächen von Pflanzen multifunktional sind, könnte es künftig möglich sein, von ihnen mehrere Eigenschaften in einem Schritt zu übernehmen.“ Die Arbeit der Forscher wirft darüber hinaus die grundlegende Frage auf, welche Rolle Unordnung in komplexen photonischen Strukturen spielt. Zu dieser Frage sollen nun weitere Untersuchungen durchgeführt werden, von denen die nächste Generation von Solarzellen profitieren könnte. (Cornelia Lichner)