Bald Solarzellen mit vierfachem Wirkungsgrad?

Forscher entwickeln Methode, bei der Solarzellen auch Energie aus Wärme aufnehmen

Im sonnenreichen Juni 2019 war Solarenergie bereits die wichtigste Stromquelle Deutschlands. Dabei besitzen die installierten Solaranlagen hierzulande Wirkungsgrade von weniger als 25 Prozent. Über drei Viertel der Sonnenenergie gehe ungenutzt verloren, berichtet Manuel Först in seinem Beitrag auf energiezukunft.eu. Während die üblichen Solarpanels aus Siliziumzellen Wirkungsgrade von bis zu 20 Prozent erreichten, komme selbst die neueste Technologie – Perowskit – gerade mal auf einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 25 Prozent. Das  will eine Neuentwicklung aus Houston ändern.

Das Problem: Diese Solarzellen können die Wärme aus den Sonnenstrahlen nicht aufnehmen. Schlimmer noch: Große Hitze verringert Effizienz und Wirkungsgrad von Solarzellen, denn wenn Solarzellen heiß werden, nimmt ihre Spannung ab. Dabei besitzt gerade Wärme sehr viel Energie, die bislang ungenutzt verloren geht. Bislang, denn Forscher der US-amerikanischen Rice University in Houston haben eine Methode entwickelt, bei der Solarzellen auch die Energie aus Wärme aufnehmen können.

Licht und Wärme in Energie umwandeln

Dies soll mithilfe einer speziellen Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in den Solarzellen, die kleine Hohlräume umgeben, gelingen. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die Wärme absorbieren können und als Leitungen fungieren, sind dabei auf einer dünnen Folie angeordnet. Das Problem sei bislang gewesen, dass Wärmestrahlung breitbandig ist, die Umwandlung von Licht in Elektrizität jedoch nur dann effizient ist, wenn sie möglichst im schmalbandigen Bereich liegt, erklärt Gururaj Naik, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik an der Universität Rice. „Die Herausforderung bestand darin, breitbandige Photonen in einen schmalbandigen Bereich zu quetschen“, so Naik laut Business Insider.

So könnten die Solarzellen der Rice University künftig sowohl Licht als auch Wärme aus den Sonnenstrahlen absorbieren und in Energie umwandeln. Naik und sein Team gehen dabei von einem Wirkungsgrad bis zu 80 Prozent aus. Ein weiterer Vorteil sei darüber hinaus die enorme Hitzebeständigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Temperaturen von bis zu 1.700 Grad könnte die spezielle Legierung standhalten.

Nutzung der Wärme für 80% des theoretischen Wirkungsgrades

Mark Hutchins am 29.07.2019 im englischsprachigen pv magazine: Der “hyperbolische thermische Emitter” könnte mit einem PV-System kombiniert werden, um Energie umzuwandeln, die ansonsten als Wärme verschwendet wird. Abwärme ist ein heißes Thema unter den PV-Forschern, da ihre Nutzung die Leistung und Lebensdauer von Solarsystemen erheblich erhöhen könnte. Es gibt ein breites Spektrum an Lösungen für diese Herausforderung, darunter ausgeklügelte Kühlsysteme, thermoelektrische Erzeugung und Hybridsysteme, die die Wärme ableiten und für andere Zwecke nutzen. Die Rice-Forscher verwenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen, um Abwärme in Licht umzuwandeln, das dann in einer Solarzelle Strom produzieren könnte.

Die Mikroskopaufnahme zeigt in einen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhren eingebettete Hohlräume, die thermische Photonen einfangen und in Licht wandeln, das dann von einer Photovoltaikzelle umgewandelt wird. Bild © Chloe Doiron/Rice University

“Jede heiße Oberfläche emittiert Licht als Wärmestrahlung”, sagt Naik. “Das Problem ist, dass Wärmestrahlung breitbandig ist, während die Umwandlung von Licht in Strom nur dann effizient ist, wenn die Emission in einem schmalen Band erfolgt.” Das von der Naik-Gruppe entwickelte Proof-of-Concept-Gerät wird in dem in der Zeitschrift ACS Photonics veröffentlichten Artikel “Macroscopically Aligned Carbon Nanotubes as a Refractory Platform for Hyperbolic Thermal Emitters” beschrieben.

Das Gerät verwendet einen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, durch den Elektronen nur in eine Richtung wandern können, den Forschern zufolge kann es bei Temperaturen bis 700 Grad Celsius arbeiten. Der nächste Schritt für die Forschung wird darin bestehen, das Gerät “hyperbolischer thermischer Emitter” mit einer Solarzelle zu kombinieren.

Die Simulation von Chloe Doiron (Rice University) zeigt eine Reihe von in einer Schicht ausgerichteter Kohlenstoff-Nanoröhren eingebetteten Hohlräumen. Optimiert absorbiert die Schicht thermische Photonen und emittiert Licht in einer engen Bandbreite, das als Strom recycelt werden kann.

Der Solarboom beflügelt weltweite Energiewende

Sollte die neue Technologie zur Serienreife gelangen, so Manuel Först, könnte sie den weltweiten PV-Ausbau noch einmal revolutionieren. Denn der Solarboom beflügele bereits jetzt die globale Energiewende. 94 Gigawatt an PV-Anlagen wurden 2018 gebaut, so viel wie in keinem anderen Bereich der Stromversorgung. Davon jedoch allein 44 GW in China. In Deutschland hingegen sorgt ein PV-Ausbaudeckel für weitaus geringere Ausbauzahlen.

Dabei sei noch viel Potenzial an Flächen, vor allem in Deutschland, vorhanden. Allein in Berlin gäbe es laut Berliner Energieatlas geeignete Dachflächen für Photovoltaik so groß wie 3.600 Fußballfelder. Und in ganz Deutschland seien es vor allem die Dächer vieler Gewerbehallen, die bislang ungenutzt brachliegen. Würden diese auch noch mit Solarzellen, mit 80 Prozent Wirkungsgrad aus den USA ausgestattet, die Solarenergie könnte dauerhaft den Hauptanteil zur Stromversorgung in Deutschland beitragen.

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