Spielfilm-Disk als Schablone: Das Muster der Bits auf einer beschriebenen Blu-ray kann Solarzellen effektiver machen. Denn diese quasizufällige Anordnung absorbiert Licht besonders gut, wie US-Forscher in einem verblüffend simplen Praxistest belegen. Sie nutzten einfach eine normale Film-Blu-ray als Schablone, um das Bit-Muster auf die Oberfläche einer Dünnschichtsolarzelle zu übertragen. Als Folge erhöhte sich der Wirkungsgrad der Solarzelle um knapp 12 Prozent, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Communications“ berichten.
Wenn es um das Speichern von HD-Filmen oder anderen großen Dateien geht, hat die Blu-ray heute längst die CD oder DVD abgelöst. Für die Speicherung werden die Videosignale zunächst in digitalen Code umgewandelt. Spezielle Algorithmen zur Fehlerkorrektur wandeln diesen noch ein wenig ab. Dann brennt ein Laser diese Abfolge von Bits als eine Serie von winzigen, unterschiedlich langen Kerben auf den Blu-ray-Rohling. Auf der Scheibe entsteht so ein konzentrisches Muster aus Reihen von Kerben und Inseln, die zwischen 150 bis 525 Nanometer lang sind.
Nicht ganz zufällig, aber auch nicht geordnet
Und dieses Muster hat es in sich, denn es handelt sich um eine quasizufällige Nanostruktur. „Solche Strukturen kommen auch in der Natur häufig vor, beispielsweise im bunten Gefieder von Vögeln und Insekten“, erklären Alexander Smith von der Northwestern University und seine Kollegen. Diese Strukturen können Licht besonders effektiv absorbieren oder gezielt nur bestimmte Spektralbereiche zurückwerfen. Dies macht sie auch für die Technik interessant: Ihre extrem gute Lichtabsorption könnte beispielsweise Leuchtdioden oder Solarzellen effektiver machen.
Aber um solche quasizufälligen Strukturen im Nanomaßstab zu erzeugen, sind extrem teure und aufwändige Fabrikationsprozesse nötig – normalerweise. „Aber interessanterweise existiert ein solches Muster bereits – in einem massenweise verbreiteten Konsumartikel: der Blu-ray“, sagen die Forscher. Ihre Analysen ergaben, dass sich die Bitstruktur einer beschriebenen Blu-ray perfekt dafür eignen würde, Photonen im gesamten Bereich des Sonnenlicht-Spektrums zu absorbieren.
Blu-ray als Muster-Schablone
Um das praktisch auszuprobieren, entwickelten Smith und seine Kollegen eine Methode, mit der sie die quasizufällige Struktur der Blu-ray auf eine Dünnfilm-Solarzelle übertragen konnten. Für diesen Praxistest entfernten die Forscher zunächst die laminierte Schutzschicht einer Blu-ray – beschrieben mit dem Hollywood-Spielfilm Police Story 3 – und legten so die Kerben und Inseln der gespeicherten Daten frei.
Mit einer härtenden Polymermasse gossen sie die freigelegte Oberfläche aus und erzeugten so eine Negativ-Schablone des Musters. Diese Schablone nutzten Smith und seine Kollegen dann, um die quasizufällige Struktur per Abdruck auf den Rohling einer organischen Solarzelle zu übertragen. Wie die Forscher berichten, trug nun die fertige Solarzelle das typische Blu-ray-Muster als Kerben und Erhebungen ihrer aktiven Schicht. Mit bloßem Auge war dies als typisch irisierender Schimmer zu erkennen.
Absorption und Wirkungsgrad verbessert
Doch die entscheidende Frage war nun, wie sich das Blu-ray-Muster auf die Leistung der Solarzelle auswirkte. Dafür verglichen die Forscher die Lichtabsorption und Stromproduktion von gemusterten und ungemusterten Solarzellen des ansonsten völlig gleichen Aufbaus. Das Ergebnis: Die Absorption der Solarzelle mit Blu-ray-Abdruck war gegenüber der normalen um 21,8 Prozent verbessert – und dies über das gesamte Absorptionsprofil hinweg, wie Smith und seine Kollegen berichten. Als Folge hatte die Solarzelle mit der quasizufälligen Struktur einen um 11,9 verbesserten Wirkungsgrad.
Nach Ansicht der Forscher demonstriert dieser Praxis-Test sehr nachdrücklich, wie sich mit einem so simplen und billigen Massenprodukt wie der Blu-ray die Lichtnutzung einer Solarzelle „pimpen“ lässt. Und auch wenn dieser Versuch mit einer organischen Solarzelle erfolgte, halten sie es doch für sehr wahrscheinlich, dass sich die Blu-ray-Muster auch auf andere Arten von Solarzellen übertragen lassen, darunter auch die klassischen Silizium-Zellen.
„Das eröffnet vielversprechende Wege, wie sich aus billigen Konsumprodukten sehr viel höherwertige und komplexe Anwendungen erstellen lassen“, so die Wissenschaftler. (Nature Communications, 2014; doi: 10.1038/ncomms6517)
(Nature, 26.11.2014 – NPO)
