Zonlicht dat door zonnecellen wordt gereflecteerd, gaat verloren als ongebruikte energie. De vleugels van de vlinder Pachliopta aristolochiae worden geboord door nanostructuren (nanogaten) die helpen om licht over een breed spectrum veel beter te absorberen dan gladde oppervlakken. Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) zijn er nu in geslaagd om deze nanostructuren over te dragen naar zonnecellen en, dus, het verbeteren van hun lichtabsorptie tot 200 procent. De wetenschappers rapporteren hun resultaten in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"De door ons bestudeerde vlinder is zeer donkerzwart. Dit betekent dat hij perfect zonlicht absorbeert voor een optimaal warmtebeheer. Nog fascinerender dan zijn uiterlijk zijn de mechanismen die helpen om de hoge absorptie te bereiken. Het optimalisatiepotentieel bij het overbrengen van deze structuren naar fotovoltaïsche (PV) ) systemen bleek veel hoger dan verwacht, " zegt Dr. Hendrik Hölscher van KIT's Institute of Microstructure Technology (IMT).

De wetenschappers van het team van Hendrik Hölscher en Radwanul H. Siddique (voorheen KIT, nu Caltech) reproduceerde de nanostructuren van de vlinder in de siliciumabsorberende laag van een dunne-film zonnecel. Daaropvolgende analyse van lichtabsorptie leverde veelbelovende resultaten op:in vergelijking met een glad oppervlak, de absorptiesnelheid van loodrecht invallend licht neemt toe met 97% en stijgt continu tot 207% bij een invalshoek van 50 graden. "Dit is vooral interessant onder Europese omstandigheden. Vaak we hebben diffuus licht dat onder een verticale hoek nauwelijks op zonnecellen valt, ’ zegt Hendrik Hölscher.

Echter, dit betekent niet automatisch dat de efficiëntie van het volledige PV-systeem met dezelfde factor wordt verbeterd, zegt Guillaume Gomard van IMT. “Ook andere componenten spelen een rol. de 200 procent moet worden beschouwd als een theoretische limiet voor efficiëntieverbetering."

Voorafgaand aan het overbrengen van de nanostructuren naar zonnecellen, de onderzoekers bepaalden de diameter en rangschikking van de nanogaatjes op de vleugel van de vlinder door middel van scanning elektronenmicroscopie. Vervolgens, ze analyseerden de snelheden van lichtabsorptie voor verschillende gatenpatronen in een computersimulatie. Ze ontdekten dat ongeordende gaten van verschillende diameters, zoals die gevonden worden in de zwarte vlinder, produceerde de meest stabiele absorptiesnelheden over het volledige spectrum bij variabele invalshoeken, met betrekking tot periodiek gerangschikte mono-sized nanogaten. Vandaar, de onderzoekers introduceerden wanordelijk gepositioneerde gaten in een dunne-film PV-absorber, met diameters variërend van 133 tot 343 nanometer.

De wetenschappers toonden aan dat de lichtopbrengst aanzienlijk kan worden verhoogd door materiaal te verwijderen. In het project, ze werkten met gehydrogeneerd amorf silicium. Volgens de onderzoekers is echter, elk type dunne-film PV-technologie kan worden verbeterd met dergelijke nanostructuren, ook op industriële schaal.

Dunne-film PV-modules vormen een economisch aantrekkelijk alternatief voor conventionele zonnecellen van kristallijn silicium, omdat de lichtabsorberende laag een factor 1000 dunner is en, Vandaar, materiaalverbruik wordt verminderd. Nog altijd, absorptiesnelheden van dunne lagen zijn lager dan die van kristallijne siliciumcellen. Vandaar, ze worden gebruikt in systemen die weinig stroom nodig hebben, zoals zakrekenmachines of horloges. Verbeterde absorptie zou dunnefilmcellen veel aantrekkelijker maken voor grotere toepassingen, zoals fotovoltaïsche systemen op daken.