Struktur im Säugetierauge als Vorlage zur Effizienzsteigerung von Solarzellen.
Dieser Artikel wurde am 24. März 2015 veröffentlicht
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Wir alle kennen sie noch aus dem Biologieunterricht: Stäbchen und Zapfen im Auge. Grob gesagt helfen die Stäbchen beim Sehen mit geringer Helligkeit, und die trichterartigen Zapfen sind Sinneszellen, die das Farbensehen ermöglichen. Im sogenannten Gelben Fleck auf der Netzhaut, durch den die Sehachse genau hindurchläuft, ist die Zapfendichte am höchsten. Diesen Punkt nennt man auch Sehgrube (Fovea Centralis).

Neue Struktur steigert Lichtabsorption

Ein Forscherteam um Prof. Dr. Silke Christiansen, die das Institut für Nanoarchitekturen für die Energiewandlung am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und eine Arbeitsgruppe am Max-Planck Institut für die Physik des Lichts (MPL) leitet, hat nun nach dem Vorbild der Fovea Centralis eine ähnliche Struktur mittels halbleitertechnologischer Verfahren in Siliziumsubstrat für Solarzellen nachgebildet. Das Ergebnis der anschließenden Berechnungen und Tests: Die Trichterfelder in Dünnschichtsiliziumsolarzelle ermöglichen eine Steigerung der Lichtabsorption um rund 65 Prozent und somit einen deutlich erhöhten Wirkungsgrad.

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Aufnahmen mit dem Raster-Elektronenmikroskop zeigen, wie regelmäßig die in ein Silizium-Substrat eingeätzten Trichter angeordnet sind (links: Längenskala 5 Mikrometer, rechts: 1 Mikrometer). Die Trichter messen oben im Durchmesser noch rund 800 Nanometer und laufen unten auf etwa hundert Nanometer spitz zu. Bild: S. Schmitt/MPL, Bildquelle: helmholtz-berlin.de

Trichter statt Säulen

Die von den Zapfen inspirierte Trichterform macht den Unterschied. Aus früheren Experimenten war bereits ein Feld aus dünnen Säulen bekannt, sogenannte Silizium-Nanosäulen. Im Vergleich zu diesen liefern die Trichterfelder nochmal erheblich bessere Ergebnisse. Man stellte fest: Während sich eng stehende Nano-Säulen in ihrer Lichtabsorption abschwächen, verstärken sich die benachbarten Trichter gegenseitig.

Prof. Dr. Christiansen und ihr Team arbeiten im nächsten Schritt an der Verbesserung der mit den Mikrotrichtern ausgestatteten Dünnschichtsolarzellen. Sie möchten die Trichterfelder auch für robustere Zellkonzepte optimieren, die zur großflächigen und kostengünstigen Produktion geeignet sind. Auch andere Anwendungen, wie z. B. in LEDs oder in sensorischen Bauelementen, sind bereits in der Planung.

PIC2 - Roetger

Die Simulation zeigt, wie sich die Form der Nanostrukturen auf die Lichtkonzentration auswirkt. Je spitzer der Trichter zuläuft, desto stärker ist auch das Licht konzentriert (rot: hohe Konzentration, gelb: geringe Intensität). Bild: G. Shalev, S. Schmitt/MPL, Bildquelle: helmholtz-berlin.de

Veröffentlichung: Nature Scientific Reports: Enhanced photovoltaics inspired by the fovea centralis. Gil Shalev, Sebastian W. Schmitt et al. Teamleader: Silke Christiansen, Scientific Reports 5, Article number: 8570, doi:10.1038/srep08570. 24. Februar 2015.

Quelle:

Vom Auge abgeschaut: Mikrotrichter aus Silizium erhöhen die Effizienz von Solarzellen. Helmholtz-Zentrum Berlin. 24.02.2015. http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14152&sprache=de&typoid=49880 (zuletzt aufgerufen: 24. März 2015). 

Titelbild: © Martina Liel