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Universität Oulu: Schmetterlingsflügel als Vorbild für effektivere Solarpaneele

Sehr effektive Nanostrukturen, die nach dem Vorbild der Flügelschuppen schwarzer Schmetterlinge biologisch nachgebaut wurden, können für die Antireflexbeschichtung von Solarpaneelen verwendet werden. Eine neue Studie zeigt einen einzigartigen Weg zur Verbesserung der Effizienz bei der Lichtnutzung in Solarzellen auf

Die Strukturfarbe der Schmetterlinge entsteht in erster Linie durch Beugung des natürlichen Lichts. Bei schwarzer Farbe jedoch wird das Sonnenlicht in den Flügelschuppen eingefangen. In einigen extremen Fällen findet durch Licht-Wärme-Umwandlung in den schwarzen Flügelschuppen der Schmetterlinge eine rasche Enteisung statt. Inspiriert durch diesen Prozess der Nutzung des natürlichen Lichts nahmen Wissenschaftler der finnischen Universität Oulu in der Forschungseinheit NANOMO eine sorgfältige Untersuchung der Nanostrukturen schwarzer Schuppen von verschiedenen Schmetterlingen vor und bewerteten ihre Lichtabsorptionsfähigkeiten bei der Platzierung auf siliciumbasierten Solarpaneelen.

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New study: Very effective nanostructures biomimicked from black scales of butterflies can be used for antireflective coating on solar panels. Photo: University of Oulu

Selbst wenn die dunklen Farbnuancen scheinbar gleich sind, haben die Schuppen verschiedener Schmetterlingsgattungen unterschiedliche Nanostrukturen. Die Morphologie der Schuppen des Ornithoptera priamus beispielsweise besteht aus zwischen zwei Erhöhungen gebildeten parallelen V-förmigen Rillen, die durch dünne Schichten verbunden sind. Dies unterscheidet sich stark von der Schuppenstruktur von drei anderen Gattungen, Tirumala limniace, Graphium doson und Papilio protenor cramer, deren Strukturen runde Erhöhungen aufweisen, die mit Anordnungen von 1, 2 und 3 Löchern voneinander getrennt sind. Dementsprechend wird das Licht auf den schwarzen Schuppen anders reflektiert: bei der schwarzen Färbung des Ornithoptera priamus erhält man Werte von mindestens 1 bis 5 Prozent im sichtbaren Lichtbereich.

Die Verwendung dieser Strukturen als Antireflexmuster wird zur Nutzung des Sonnenlichts bei der siliciumbasierten Photovoltaik beitragen. Computersimulierte Ergebnisse ergaben eine erhebliche Abnahme der Rückstreuung an der Oberfläche nach Platzierung dieser Nanostrukturen auf siliciumbasierten Solarpaneelen. Die Schuppenstruktur des Ornithoptera priamus zeigte die besten Antireflexeigenschaften. Die Lichtreflexion verringerte sich von mehr als 35% auf dem blanken Siliziumpaneel auf weniger als 5%. Infolgedessen erhöhte sich der Kurzschlussstrom, also die höchste Leistung, die aus der Photovoltaikzelle gewonnen werden kann, um 66%. Es erfolgten bereits Vorschläge zu experimentellen Umsetzungen einer solchen Strategie.

Mit den neuesten Forschungsergebnissen nimmt die NANOMO-Gruppe weiterhin eine weltweit führende Rolle in der Bionik ein. Die Einheit ist wegweisend bei der Anwendung grundlegender Konzepte der Physik auf die angewandte Photonik und die Nutzung von Sonnenenergie. Die Forschung wurde von den Professoren Wei Cao und Marko Huttula der Universität Oulu koordiniert.

Angesichts des großen Volumens siliciumbasierter Solarpaneele ist davon auszugehen, dass die Schmetterlingsflügel einen wichtigen Beitrag zur sauberen Energiegewinnung leisten können.

Artikel:
Zhongjia Huang, Xinying Shi, Gang Wang, Petri Leukkunen, Marko Huttula, Wei Cao:
Antireflective design of Si-based photovoltaics via biomimicking structures on black butterfly scales, Solar Energy, Volume 4. DOI: https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.05.031sciencedirect.com 2020
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X2030520X

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Contacts

Weitere Auskünfte erteilt:
Associate Professor Wei Cao
Universität Oulu
NANOMO Research Unit
Tel. +358 400 897 982
E-Mail: Wei.Cao@oulu.fi

Professor Marko Huttula
Universität Oulu
NANOMO Research Unit
Tel. +358 400 566 218
E-Mail: Marko.Huttula@oulu.fi