Sommerfuglevinge inspirerer til solcelleanlæg:Lysabsorption kan forbedres med op til 200 procent

Sollys reflekteret af solceller går tabt som ubrugt energi. Sommerfuglens vinger Pachliopta aristolochiae er boret af nanostrukturer (nanohuller), der hjælper med at absorbere lys over et bredt spektrum langt bedre end glatte overflader. Forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) er nu lykkedes med at overføre disse nanostrukturer til solceller og, dermed, øger deres lysabsorptionshastighed med op til 200 procent. Forskerne rapporterer deres resultater i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

"Sommerfuglen, vi studerer, er meget mørk sort. Dette betyder, at den perfekt absorberer sollys for optimal varmestyring. Endnu mere fascinerende end dens udseende er de mekanismer, der hjælper med at nå den høje absorption. Optimeringspotentialet, når disse strukturer overføres til solceller (PV). ) systemer viste sig at være meget højere end forventet, " siger Dr. Hendrik Hölscher fra KIT's Institute of Microstructure Technology (IMT).

Forskerne fra holdet af Hendrik Hölscher og Radwanul H. Siddique (tidligere KIT, nu Caltech) gengav sommerfuglens nanostrukturer i det siliciumabsorberende lag i en tyndfilmssolcelle. Efterfølgende analyse af lysabsorption gav lovende resultater:Sammenlignet med en glat overflade, absorptionshastigheden for vinkelret indfaldende lys stiger med 97% og stiger kontinuerligt, indtil det når 207% i en indfaldsvinkel på 50 grader. "Dette er særligt interessant under europæiske forhold. Ofte vi har diffust lys, der næsten ikke falder på solceller i en lodret vinkel, " siger Hendrik Hölscher.

Imidlertid, dette betyder ikke automatisk, at effektiviteten af ​​det komplette PV-system forbedres af samme faktor, siger Guillaume Gomard fra IMT. "Også andre komponenter spiller en rolle. Derfor, de 200 procent skal betragtes som en teoretisk grænse for effektivitetsforbedring."

Inden overførsel af nanostrukturer til solceller, forskerne bestemte diameteren og arrangementet af nanohullerne på sommerfuglens vinge ved hjælp af scanningselektronmikroskopi. Derefter, de analyserede lysabsorptionshastighederne for forskellige hulmønstre i en computersimulering. De fandt ud af, at uordnede huller med varierende diametre, som dem, der findes i den sorte sommerfugl, produceret de mest stabile absorptionshastigheder i hele spektret ved forskellige forekomstvinkler, med hensyn til periodisk arrangerede monosized nanohuller. Derfor, forskerne introducerede uordentligt placerede huller i en tyndfilm PV-absorber, med diametre fra 133 til 343 nanometer.

Forskerne demonstrerede, at lysudbyttet kan forbedres betydeligt ved at fjerne materiale. I projektet, de arbejdede med hydrogeneret amorft silicium. Ifølge forskerne, imidlertid, enhver form for tyndfilm PV-teknologi kan forbedres med sådanne nanostrukturer, også i industriel skala.

Tyndfilm PV-moduler repræsenterer et økonomisk attraktivt alternativ til konventionelle krystallinske siliciumsolceller, da det lysabsorberende lag er tyndere med en faktor på op til 1000 og, derfor, materialeforbrug reduceres. Stadig, absorptionshastigheder for tynde lag er under dem for krystallinske siliciumceller. Derfor, de bruges i systemer, der kræver lidt strøm, såsom lommeregnere eller ure. Forbedret absorption ville gøre tyndfilmsceller meget mere attraktive til større applikationer, såsom solcelleanlæg på tage.