Pflanzeninspirierte Innovationen in der Sammlung und Umwandlung von Solarenergie

Über Milliarden Jahre der Evolution haben natürliche Organismen hocheffiziente Methoden zur Sammlung von Sonnenenergie und deren Speicherung als Kohlenwasserstoffe, wie Zucker und Stärke, entwickelt, um Wachstum und Überleben zu sichern. Forschungen haben gezeigt, dass Pflanzenblätter lichtsammelnde Antennenstrukturen, sogenannte Chloroplasten, enthalten, die die Absorption eines breiten Sonnenspektrums ermöglichen. Diese Strukturen fungieren auch als Fernkanäle, die Exzitonen von den angeregten elektronischen Zuständen des Chlorophylls nach der Photonaufnahme zu den Reaktionszentren transportieren, wo die Photosynthese stattfindet (Mirkovic et al., 2017).

In einem natürlichen Blatt sind miteinander verbundene dreidimensionale poröse und kanalartige Netzwerke vorhanden, die die Lichtabsorption optimieren und die Bewegung essentieller Substanzen erleichtern. Inspiriert von diesen Strukturen und den Mechanismen der natürlichen Photosynthese haben Forscher künstliche Solar-zu-Treibstoff-Umwandlungsprozesse umfassend entwickelt, die die Umwandlung von Kohlendioxid in Mehrfachkohlenstoffprodukte sowie die solargetriebene Wasserstofferzeugung ermöglichen (Liu et al., 2021).

Durch die Nachbildung der Struktur von Chlorophyll und der funktionellen Prozesse der Photosynthese in Pflanzenblättern wurden künstliche Blätter entwickelt, die eine bioinspirierte Ernte und Umwandlung von Sonnenenergie ermöglichen (Van Noorden, 2021, Reece et al., 2011, Nguyen et al., 2017).

Um die Gasdiffusion und die Lichtsammelleistung zu verbessern, werden dreidimensionale künstliche photosynthetische Systeme häufig mit einer hierarchischen Elektrodenstruktur entworfen, die der eines natürlichen Blattes ähnelt. So wurden beispielsweise künstliche Blätter unter Verwendung synthetischer Nanomaterialien entwickelt, die in pflanzenbasierte Gerüste eingebettet sind und biohybride Systeme bilden (Zhou, 2013).

Das PV-Blatt imitiert den Transpirationsprozess in Pflanzenblättern, um Solarzellen zu kühlen und deren Effizienz zu steigern. Dieses Design integriert eine biomimetische Transpirationsschicht aus Bambusfasern und Hydrogelzellen, die Wasser passiv aus einem Reservoir zur Kühlung der Solarzellenoberfläche transportieren. Durch die Senkung der Betriebstemperatur um bis zu 26°C erhöht das PV-Blatt die elektrische Effizienz und kann gleichzeitig Strom, Wärme und sauberes Wasser erzeugen.

Während des Syntheseprozesses wurden die natürliche Architektur und die Aderungssysteme des Blattes direkt nachgebildet und in das künstliche photosynthetische System integriert, wodurch ein dreidimensionales hierarchisches Makroporennetzwerk entstand. Diese künstlichen Blätter, die mit menschengemachten Katalysatoren konstruiert wurden, fangen effektiv Licht ein und erleichtern die Photoreduktion von Kohlendioxid, indem sie natürliche photochemische Prozesse nachahmen, um Kohlendioxid und Wasser unter natürlichem oder simuliertem Sonnenlicht in hochwertige Kohlenwasserstoffe umzuwandeln. Über bioinspirierte Geräte zur Kohlendioxidabscheidung und -umwandlung hinaus wurde in den letzten zehn Jahren die solare Wasserspaltung unter Verwendung von blattinspirierten Strukturen erforscht. Als saubere Energiequelle ohne Kohlenstoffemissionen wird Wasserstoff eine entscheidende Rolle in zukünftigen Energiesystemen spielen, insbesondere wenn er durch Wasserspaltungsreaktionen erzeugt wird. Das Konzept der Wasserstoffproduktion durch Wasserspaltung wurde ebenfalls von den natürlichen Mechanismen der Photosynthese beeinflusst (Velasco-Garcia und Casadevall, 2023).
Die Struktur eines typischen Pflanzenblattes besteht aus photosynthetischen Zellen, Gefäßbündeln (Adern), Schwammzellen, Stomata, der Kutikula und der Epidermis, wie in Abbildung 1a gezeigt. Der Wassertransport innerhalb der Pflanze erfolgt durch einen Prozess, der von Kapillarkräften und osmotischem Druck angetrieben wird und die Bewegung von flüssigem Wasser vom Boden zu den Blättern ermöglicht. Die Gefäßbündel enthalten Mikokanäle, die Wasser effizient im gesamten Blatt verteilen, das dann während der Transpiration von den Zelloberflächen verdunstet.

Inspiriert von der Effizienz der Transpiration und dem strukturellen Design natürlicher Blätter wurde eine biomimetische Transpirationsstruktur für das PV-Blatt entwickelt, wie in Abbildung 1b dargestellt. Dieses Design integriert eine biomimetische Transpirationsschicht (BT), die an der Rückseite einer Solarzelle angebracht ist und die Wärmeableitung verbessert. Die Funktion der Gefäßbündel wird durch natürliche Bambusfaserbündel nachgebildet, die einen effektiven Wassertransport und eine gleichmäßige Verteilung gewährleisten. Gleichzeitig dienen Hydrogelzellen mit hoher spezifischer Oberfläche und überlegenen Wasseraufnahmefähigkeiten als Ersatz für Schwammzellen und fördern eine effiziente Verdunstung.

Eine detaillierte Konfiguration der Transpirationsstruktur des PV-Blattes ist in Abbildung 1c dargestellt und besteht aus einer BT-Schicht (~1 mm dick), einem Stütznetz (0,5 mm dick) und einer PV-Zellschicht (~150 μm dick), die eine effektive Fläche von 10 × 10 cm² abdeckt. In die BT-Schicht sind etwa 30 Zweige von Bambusfaserbündeln eingebettet, die gleichmäßig in einem Kalium-Polyacrylat (PAAK) Superabsorber-Polymer (SAP) Hydrogel verteilt sind, das eine gleichmäßige Wasserverteilung über die Schicht ermöglicht. Die Enden der Faserzweige werden gesammelt und in Wasser getaucht, um eine kontinuierliche Hydratation zu gewährleisten.

Der schrittweise Herstellungsprozess für die Transpirationsstruktur des PV-Blattes ist in Ergänzungsabbildung 1 dargestellt, während Ergänzungsabbildung 2 ein Schaltbild zeigt, das das elektrische Messsystem zur Leistungsbewertung detailliert beschreibt (Huang et al., 2023).

Abbildung 4. Struktur und Funktion des bioinspirierten PV-Blattes, a. Ein natürliches Blatt besitzt Gefäßbündel, die Wasser gleichmäßig über seine Oberfläche verteilen und so eine Kühlung durch Transpiration ermöglichen, die die Photosynthese schützt. b. Das bioinspirierte PV-Blatt imitiert diesen Prozess, indem es hydrophile Faserbündel und Hydrogelzellen verwendet, um den Wassertransport und die Speicherfunktionen eines echten Blattes nachzubilden. c. Die biomimetische Transpirationsschicht (BT) besteht aus Bambusfaserbündeln und Hydrogelzellen, wobei die Faserwurzeln im Wasser platziert werden, um eine kontinuierliche Feuchtigkeitsversorgung zu gewährleisten. d. Wasser bewegt sich durch Kapillarwirkung und Osmose von den Faserwurzeln zu den Hydrogelzellen. Während das Wasser verdunstet, wird Wärme von der PV-Zelle abgeleitet, sodass sie kühl bleibt. e. Ein echtes Foto des PV-Blatt-Prototyps zeigt, wie diese bioinspirierte Struktur auf eine funktionierende Solarzelle angewendet wird (Huang et al., 2023).

Abbildung 5. Wie das PV-Blatt die Leistung von Solarmodulen verbessert, a. Um die Wirksamkeit des PV-Blattes zu testen, wurde ein spezieller Versuchsaufbau mit einem Solarsimulator geschaffen, der Licht ähnlich dem Sonnenlicht erzeugt. Dieser Aufbau hilft, den Kühleffekt und die Energieeffizienz des PV-Blattes im Vergleich zu einem herkömmlichen Solarmodul zu messen. b. Das PV-Blatt bleibt deutlich kühler als ein herkömmliches Solarmodul. Tests zeigten, dass die biomimetische Transpirationsschicht dazu beiträgt, die Temperatur erheblich zu senken, Überhitzung zu verhindern und die Leistung zu verbessern. c. Das PV-Blatt gibt Wasser durch Transpiration ab, genau wie ein echtes Blatt. Dieser Prozess hilft, Wärme vom Solarmodul abzuleiten und macht es effizienter. Die Menge des über die Zeit verdunsteten Wassers zeigt, wie gut das Kühlsystem funktioniert. d. Das PV-Blatt erzeugt mehr Energie als ein herkömmliches Solarmodul. Das verbesserte Kühlsystem hilft den Solarzellen, eine höhere Leistung zu erzielen, sodass sie Sonnenlicht effektiver einfangen und nutzen können. e. Wichtige Messungen zeigen, dass das PV-Blatt hinsichtlich Energieproduktion und Effizienz besser abschneidet als ein herkömmliches Solarmodul. f. Insgesamt verbessert das PV-Blatt die Umwandlung von Sonnenenergie, indem es das Modul kühl hält und eine höhere Effizienz über den Tag hinweg sicherstellt. Dieses bioinspirierte Design kann dazu beitragen, Solarmodule in Zukunft effektiver und nachhaltiger zu machen (Huang et al., 2023).