Von der Natur abgeguckt

Mithilfe einer von Rosenblütenblättern kopierten Oberflächenstruktur können Solarzellen 12 Prozent mehr Licht nutzen. Grund sind die Mikro- und Nanostrukturen der Rosenblüten-Epidermis, welche eine höhere Einfallswinkeltoleranz zulassen und dadurch die Licht-Materie-Interaktion der Photovoltaikzelle verbessern.

Die Nutzung begrenzt vorhandener, fossiler Energieträger bringt negative Umwelteffekte mit sich, die den Klimawandel antreiben. Die Atmosphäre und die Ozeane werden wärmer, Gletscher und Eisschilde schmelzen. Die Folgen sind eine Zunahme von Wetterextremen und der Anstieg des Meeresspiegels.

Eine Fokussierung auf erneuerbare Energien soll weitere negative Effekte abmildern und zusammen mit einer höheren Energieeffizienz eine nachhaltige Energiepolitik ausmachen. Aus diesem Grund sind die verschiedenen Formen erneuerbarer Energien wie Bioenergie, Erdwärme, Wasserkraft, Windenergie und Sonnenenergie seit einiger Zeit im Fokus von Politik, Wirtschaft und Wissenschaft. Die Optimierung der vorhandenen Technologien nimmt vor dem Hintergrund der Energiewende einen hohen Stellenwert ein.

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Blütenblatt-Struktur erhöht Effizienz der Zelle um 12 Prozent

Eine Forschergruppe des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) integrierte ein spezielles Gewebe auf Solarzellen. Hierbei ließen sich die Forscher von den Blütenblättern von Rosengewächsen (Rosaceae) inspirieren. Die, Blumenliebhabern bestens bekannte, blutrote Rosensorte „El Toro“ lieferte das Vorbild. Von dieser kopierte die Forschergruppe die epidermalen Zellen der Blütenblätter, die besonders wenig Licht reflektieren und mehr Licht absorbieren. Die Forschergruppe übertrug die transparente Struktur auf eine organische Solarzelle, wodurch die Effizienz der Zelle um 12 Prozent erhöht werden konnte. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher nun im Fachmagazin Advanced Optical Materials.

Licht als Antreiber von Solarzellen und Pflanzen

Photovoltaik ähnelt, was den Elektronentransport angeht, der von Pflanzen betriebenen Photosynthese. Letztere entwickelten im Laufe der Evolution eine besonders effektive Technik, mit der sie aus Kohlendioxid und Wasser, unter Lichtzufuhr, energiereichen Traubenzucker und Sauerstoff bilden können. Bei der Photovoltaik wiederum wird die Lichtenergie in elektrische Energie gewandelt. Eine möglichst effiziente Nutzung des Lichts ist bei der Photovoltaik von größerer Bedeutung als bei der Photosynthese, da das Ziel ist, möglichst viel elektrische Energie zu gewinnen. Die Einfallswinkeltoleranz der Zelle für das Licht ist hierbei besonders wichtig, denn der Winkel verändert sich mit dem Stand der Sonne. Je mehr Licht Pflanze oder Solarzelle aufnehmen können, desto effektiver können sie arbeiten.

Besonders ausgeprägte Strukturen der Rose

Die Forscher am KIT untersuchten die Epidermen verschiedener Pflanzen bezüglich ihrer optischen Eigenschaften, wie der Antireflexwirkung. Zu Gute kam ihnen ihre interdisziplinäre Expertise aus sehr unterschiedlichen Bereichen am Karlsruher Institut für Technologie. Rosenblüten, mit ihren dicht gedrängten Mikro- und zufällig platzierten Nanostrukturen, erwiesen sich als besonders reflektionsarm. Dadurch erscheint die Farbe der Rose besonders kontrastreich, was ihre Chancen auf Bestäubung durch Insekten erhöht.

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Ausgezeichnete Werte der Epidermis-Struktur

Durch eine Negativ-Schablone aus dem Polymer Polydimethylsiloxan (PDMS) übertrugen die Forscher die Struktur der Epidermis auf einen optischen Kleber, der unter UV-Bestrahlung aushärtete. Diese Oberfläche wurde in eine organische Photovoltaikzelle integriert. Dadurch steigerte sich die Energieumwandlungseffzienz der Zelle bei senkrechtem Lichteinfall um zwölf Prozent. Bei flachem Einfallswinkel fiel die relative Steigerung der Effizienz sogar noch höher aus.

Grund für die Steigerung ist die Struktur der Oberfläche, die wie eine Mikrolinse wirkt und den optischen Pfad des Lichts innerhalb der Solarzelle erhöht. Das Ergebnis ist eine längere Licht-Materie-Interaktion. Die Zelle nimmt folglich mehr Licht auf. Selbst bei einem steilen Lichteinfallwinkel von 80 Grad konnte die Oberflächenreflektion bei unter fünf Prozent gehalten werden.

Die Natur als Vorbild: Ein Erfolgsmodel

Für die technische Nutzung biologischer Vorbilder gibt es viele Beispiele. Die sogenannte Bionik, war über viele Jahre ein Forschungsschwerpunkt in Deutschland. Heute bieten zahlreiche Hochschulen entsprechende Studiengänge an und es existieren regionale Netzwerke und Cluster. Aber auch die Übertragung biologischen Wissens auf andere biologische Systeme spielt eine zunehmende Rolle. Kürzlich berichteten wir auf Pflanzenforschung.de über ein Beispiel für die Übertragung einer natürlichen Abwehr von Bittermandel oder Pfirsich auf Getreide zur Abwehr von Schädlingen.