Bild der Struktur eines Mottenauges. Bildnachweis: Peng Jiang

Eine der Schwierigkeiten bei Solarenergie besteht darin, dass Solarzellen notorisch ineffizient sind. Laut Peng Jiang ist ein Teil dieser Ineffizienz auf die Tatsache zurückzuführen, dass Silizium reflektierend ist. Jiang, ein Assistenzprofessor an der Universität von Florida, erklärt gegenüber PhysOrg.com, dass die derzeit in Solarzellen verwendete Antireflexionsbeschichtung "Nachteile hat".

Mit einem neuen Verfahren, bei dem die Struktur der Mottenaugen als Inspiration dient, hofft Jiang, diese Nachteile zu beseitigen und die Kosteneffizienz von Solarzellen zu verbessern. „Sie möchten, dass mehr Sonnenlicht absorbiert als reflektiert wird“, sagt er. Jiang und seine Mitarbeiter, Chih-Hung Sun von der University of Florida und Bin Jiang von der Portland State University, berichten über die Ergebnisse ihrer Arbeit in Applied Physics Letters : „Breitband-Moth-Eye-Antireflexionsbeschichtungen auf Silizium“.

Siliziumwafer mit Antireflex-Array, Modell nach Mottenauge. Bildnachweis: Peng Jiang

"Derzeit", erklärt Jiang, "ist die bläuliche Antireflexionsschicht, die Sie auf Solarzellen sehen, über einen engen Bereich hinaus nicht sehr effizient." Die Wellenlängen des Sonnenlichts liegen zwischen 400 nm und 1400 nm. „Sobald die Wellenlänge unter 500 nm und über 800 nm liegt, nimmt die Reflexion zu.“ Jiang weist darauf hin, dass der optimale Wirkungsgrad für die aktuelle Technologie bei Wellenlängen um 600 nm liegt.

Ein Blick auf die Struktur der Mottenaugen brachte Jiang und seine Co-Autoren auf eine Idee. "Mottenaugen sind nicht sehr reflektierend", betont er. "Wir haben unsere Inspiration in der Natur gefunden und versucht, die natürliche Nanostruktur nachzuahmen."

Mottenaugen haben ordentliche Beulen an der Hornhaut. Jiang bezeichnet diese Erhebungen als "Brustwarzen". Die Brustwarzen befinden sich in einer Anordnung, die eine Situation schafft, in der fast keine Reflexion vorhanden ist. Während es sich höchstwahrscheinlich um eine evolutionäre Abwehr gegen nachtaktive Raubtiere handelte, kann es für die Verwendung in Solarzellen angepasst werden, wodurch ein Großteil des Sonnenlichts absorbiert und effizient genutzt wird, anstatt nutzlos reflektiert zu werden.

Jiang sagt, dass eine Methode der Schleuderbeschichtung verwendet wird, um den Effekt zu erzeugen. Nanopartikel in einer flüssigen Suspension werden ähnlich wie in Solarzellen auf einem Siliziumwafer platziert. Wenn der Wafer gedreht wird, verteilt die erzeugte Kraft die Nanopartikel in der Flüssigkeit. Es wird eine Art Maske erstellt, die als Vorlage verwendet werden kann. Durch Ätzen wird die Nanopartikelstruktur auf den darunter liegenden Siliziumwafer übertragen.

"Es ist selbstorganisierend", sagt Jiang über die Anordnung der Nanopartikel. „Alle Partikel sind gleich groß. Es ist, als würde man Glasperlen in eine Schachtel geben und sie dann schütteln. Alle Perlen ordnen sich zu einem Array-Muster an. “

Das Verfahren ist nicht nur technologisch einfach, sondern auch kostengünstig. „Neben der Ineffizienz sind dies die beiden Hauptnachteile der derzeitigen Antireflexbeschichtung von Solarzellen“, erklärt Jiang. "Es ist schwierig zu machen und es ist ein teurer Prozess."

Jiang weist darauf hin, dass dieser Prozess weniger als zwei Prozent Reflexion erzeugt. Dies ist eine enorme Verbesserung gegenüber der Reflexionsrate von 35 bis 40 Prozent ohne die Antireflexbeschichtungen. "Dieser einfache, billigere Prozess ist auch viel effizienter."

Der nächste Schritt, sagt Jiang, ist die Herstellung. "Wir denken, es ist jetzt fertig", sagt er. „Wir sind in der Nähe eines Start-up-Unternehmens, das dieses Verfahren zur Herstellung von Solarzellen einsetzen könnte.“ Außerdem hofft er, das Design zu verbessern. „Im Moment geschieht dies mit einkristallinen Siliziumwafern. Wir hoffen, die Technologie auf multikristallines Silizium ausweiten zu können, wo sich die Solarzellentechnologie in Zukunft weiterentwickelt. “

"Ich sehe aber nicht viel Ärger damit", fährt er fort. „Aufgrund der Einfachheit des Prozesses sollte es keinen Grund geben, warum es nicht funktionieren sollte. Es sollte keine Beschränkung der Expansion geben. “

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