Effizienzsteigerung durch Nachahmung von Blattstrukturen

PV-Zellen für Rundumlicht

Wissenschaftler der Technischen Universität Changwon in Südkorea haben für Solarzellen die Zell-Strukturen von Blättern nachgeahmt und damit diffuses Rundumlicht eingefangen. Sie berichten über eine Effizienzsteigerung der schräg einfallenden Lichtaufnahme um 70%. Auf diesen in Scientific Reports veröffentlichten Ergebnissen aufbauende Erkenntnisse könnten neue Möglichkeiten für Photovoltaikanlagen der nächsten Generation eröffnen, die über die derzeitigen starren Konzepte hinausgehen.

“Pflanzenblätter sind effiziente Lichtsammler”, schreiben Min Ju Yun, Yeon Hyang Sim, Seung I. Cha und Dong Yoon Lee im Vorwort ihres Berichts: “Wir verfolgen einen ‘botanischen Ansatz’ bei der Entwicklung von Photovoltaikzellen der nächsten Generation für städtische Umgebungen. Unsere Zellen weisen eine hohe Energieumwandlungseffizienz bei indirekter schwacher Beleuchtung auf. Wir haben zwei Merkmale von Blättern verwendet, um farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs) zu verbessern. Die Blätter bestehen aus einer Oberhaut, einer bedeckenden Hautschicht, Palisaden- und Schwammzellen. Die Blätter werden ebenfalls sorgfältig innerhalb der Pflanzenkrone angeordnet. Um diese Eigenschaften nachzuahmen, haben wir zunächst eine lichtfangende Schicht auf den Solarzellen aufgebaut und die Photoanoden mikroskopisch strukturiert. Dann haben wir die dreidimensionalen DSSCs abgeglichen, um Submodule zu erstellen.”

Schematische Darstellung der Anatomie einer Blattstruktur. Rasterelektronenmikroskopische (REM) Bilder der Blattoberflächen von (b) Polygonatum odoratum, (c) Lagerstroemia indica, (d) Zinnia elegans ( Einfügung: Blütenblatt) und (e) Solanum melongena – Grafik © nature.com

Abstrakt

“Es ist wichtig, Solarzellen zu entwickeln, die diffuses Rundumlicht in städtischen Umgebungen erfassen und nutzen können, in denen Photovoltaik-(PV)-Geräte lediglich in eine bestimmte Richtung installiert sind. Wir berichten von einem neuen Design für eine solche Lichtaufnahme, das die Struktur einer Blatthaut nachahmt. Zuerst analysierten wir die epidermalen Strukturen verschiedener Pflanzenarten im Detail, um sie zu kopieren und lichtfangende Schichten mit unterschiedlichen Formen herzustellen: als Linsenanordnungen, Säulen und Anordnung von Linsen mit rauen Oberflächen. Anschließend analysierten wir die Ergebnisse zweidimensionaler Strahlennachführsimulationen von perfekt ausgerichtetem und gaußgestreutem einfallendem Licht in Bezug auf die Lichtfangmöglichkeiten. Basierend auf diesen Ergebnissen haben wir leistungsstarke farbstoffsensibilisierte Solarzellen mit lichtfangenden Schichten vorbereitet, die eine omnidirektionale Lichtaufnahmefunktionalität aufweisen. Unsere Schichten verbesserten die Effizienz der schräg einfallenden Lichtaufnahme um 70%. Daher erwarten wir, dass sich durch die Anwendung dieser Ergebnisse und aus Erkenntnissen, die auf diesen Ergebnissen aufbauen, neue Möglichkeiten für Photovoltaikanlagen der nächsten Generation ergeben werden, die über die derzeitigen starren Konzepte hinausgehen.”

Einführung

Der Einsatz von Solarzellen hat sich auf gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) und elektronisch integrierte Photovoltaik (EIPV) Systeme ausgeweitet, bei denen PV-Geräte in eine bestimmte Richtung fixiert werden. Eine Möglichkeit, solche Systeme zu verbessern, wäre die Entwicklung von Solarzellen mit Rundumlichterfassung. Interessanterweise sind BIPV- und EIPV-Systeme den meisten Anlagen in dem Sinne ähnlich, dass sie am Boden befestigt sind. Pflanzen haben jedoch spezifische Strukturen, die optimiert sind, um einfallendes Licht zu sammeln und für die Photosynthese zu nutzen. Diese Strukturen bestehen aus vielen verschiedenen Komponenten, darunter Kronenaspekte, Phyllotaxenanordnungen und spezielle Teile der Blattanatomie. Wenn diese Strukturen bis zu einem gewissen Grad kopiert werden können, kann es möglich sein, PV-Systeme zu entwickeln, die elektrische Energie effizienter produzieren.

Zu diesem Zweck könnte die Blattanatomie, die eine Kutikula-Schicht, obere epidermale Strukturen, Palisadenzellen und schwammige Zellen umfasst, eine gute Inspirationsquelle sein. Insbesondere epidermale Strukturen könnten für die omnidirektionale Lichtfangtechnik wichtig sein, da sie der erste Teil des Blattes sind, auf den einfallende Photonen treffen.

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs) imitieren den Lichtkreislauf während der Photosynthese, der dann von der Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Entwicklung einer lichtfangenden Schicht, die omnidirektionales Licht ähnlich wie Pflanzen einfängt und umwandelt, wäre daher ein vielversprechender Beitrag zur Anwendung der PV-Technologie im urbanen Umfeld. Es wurden jedoch nur wenige Anstrengungen unternommen, um die Leistung der PV-Komponenten von DSSCs durch die Einführung der omnidirektionalen Lichtfangtechnik zu verbessern. Die überwiegende Mehrheit der berichteten Ergebnisse stellt Lichtverteilungsmanagementstrategien dar, die auf den Ergebnissen von systemischen oder strukturellen Analysen basieren, anstatt einfache Versuche, ganze Blattflächen zu replizieren und die replizierten Schichten in Solarzellen einzubinden.

(a) Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses von lichtfangenden Schichten, vom Ätzen des Silizium(Si)-Wafers bis zum Formen des Polydimethysiloxans (PDMS). Rasterelektronenmikroskopische (REM)-Bilder der (b) Si-Wafer-Masterform in Ebenen- und Querschnittsansicht und lichtfangenden Schichten mit einer (c) Linsenanordnung, (d) säulenförmigen Linsenanordnung, (e) Linsenanordnung mit rauen Oberflächen (Einsatz: Querschnitte), (f) flache Linsenanordnung und (g) Linsenanordnung mit Zwischenräumen – Quelle © nature.com

In dieser Studie analysierten wir verschiedene Arten von lichteinfangenden Schichten, die nach dem Vorbild der epidermalen Strukturen von Blättern für den Einsatz in DSSCs zur Erfassung und Nutzung von omnidirektionalem einfallendem Licht (anstatt nur auf vertikales Licht zu setzen). Wir untersuchten die epidermalen Strukturen verschiedener Pflanzenarten im Detail, um sie zu kopieren und lichtfangende Schichten mit unterschiedlichen Formen herzustellen: als Linsenarrays, Säulen und Linsenarrays mit rauen Oberflächen. Es wäre zunächst eine Versuchstudie durch Nachahmung von strukturellen epidermalen Zellen, die die Verteilung des einfallenden Lichts in der Blattstruktur verändern. Anschließend analysierten wir die Ergebnisse zweidimensionaler (2D) Strahlverfolgungssimulationen von perfekt ausgerichtetem und gaußgestreutem einfallendem Licht in Bezug auf die Lichtfangmöglichkeiten. Basierend auf diesen Ergebnissen haben wir leistungsstarke farbstoffsensibilisierte Solarzellen mit lichtfangenden Schichten vorbereitet, die eine omnidirektionale Lichtaufnahmefunktionalität aufweisen. Unsere Schichten verbesserten die Effizienz der schräg einfallenden Lichtaufnahme um 70%. Nach unserem besten Wissen ist dies der erste Schritt zur systematischen Anwendung von Blattstrukturen auf Photovoltaikanlagen. In der Tat betonen wir, dass diese Effizienzgewinne mit einem primitiven Design erreicht wurden; es gibt viel Raum für weitere Verbesserungen. Daher werden Forscher, die die nächste Generation von PVs entwickeln, wertvolle Informationen aus systematischeren und detaillierteren Analysen der relevanten Teile der Blattanatomie und der Auswirkungen der Anwendung dieser Techniken gewinnen.”

Fazit

“Wir haben eine neue Strategie für die Gestaltung von lichtfangenden Schichten vorgelegt, indem wir Strukturen ausgewählt haben, welche die von epidermalen Blattzellen nachahmen. Basierend auf dieser Idee haben wir mehrere neuartige Lichtfangschichten mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen entwickelt und bestätigt, dass die Integration in DSSCs ihre Leistung verbessert hat, insbesondere in Bezug auf die Erfassung von Rundumlicht. Diese Studie liefert jedoch nur den ersten Proof-of-Concept zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von DSSCs durch Nachahmung von Strukturen botanischer Herkunft. Um die in dieser Studie aufgeworfenen Fragen zu beantworten, ist noch viel mehr Forschung erforderlich. Insbesondere sollten wir Methoden zur Analyse von Pflanzen aus struktureller Sicht untersuchen, insbesondere die genaue Charakterisierung der Strukturen von Blättern. Dies wird es uns ermöglichen, neue analytische Techniken zu entwickeln, die besser auf unsere Bedürfnisse zugeschnitten sind. Es ist auch wichtig, die Prinzipien zu verstehen, nach denen die anatomischen Komponenten, die wir nachahmen, funktionieren und mit der Umwelt interagieren. Die vielversprechenden Ergebnisse dieser Studie stellen möglicherweise eine große Chance dar, PV-Anlagen zu verbessern oder sogar die nächste Generation solcher Anlagen zu entwickeln. Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse als erster Schritt dienen, um die von Pflanzen entwickelten Mechanismen anzupassen und für die Entwicklung von maximal optimierten Solarzellen anzuwenden.”

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