Vorbild Natur Künstliche Rosenblütenblätter verbessern Effizienz von Solarzellen

Wissenschaftler des KIT aus Karlsruhe haben künstliche Zellen von Rosenblütenblättern reproduziert. Damit versprechen sich die Wissenschaftler effizientere Solarzellen.

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Eine Möglichkeit, um die Effizienz von Solarpanels zu erhöhen ist es, die Antireflexwirkung zu senken. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben dazu jetzt die epidermalen Zellen von Rosenblütenblättern reproduziert. Diese besitzen eine besonders starke Antireflexwirkung. Die transparente Nachbildung wird in eine organische Solarzelle integriert.

Hintergrund: Photovoltaik funktioniert im Prinzip wie die von Pflanzen betriebene Photosynthese. Hier wird Lichtenergie absorbiert und in eine andere Form von Energie konvertiert. Dabei sollte das Lichtspektrum der Sonne möglichst breit genutzt werden und das Licht aus verschiedenen Einfallswinkeln aufzunehmen, da sich der Winkel mit dem Sonnenstand ändert.

Wissenschaftler am KIT und am Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) schlagen nun in der Zeitschrift „Advanced Optical Materials“ 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.

Warum sich Rosenblütenblätter besonders gut eignen

Zunächst untersuchten die Forscher am Lichttechnischen Institut (LTI), Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT), Institut für 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 Rosenblütenblättern, bei denen sie für stärkere Farbkontraste sorgt und damit die Chance auf Bestäubung erhöht. 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-Betrahlung 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 LTI des KIT.

Antireflexwirkung der nachgebildeten Epidermis

Die Wissenschaftler integrierten die transparente Nachbildung der Rosenblütenblätter-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 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 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.

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