Thermophotovoltaik – umständlich ist manchmal effizienter

Die Effizienz einer Solarzelle ist begrenzt. Zu schaffen macht ihnen vor allem das breite Spektrum des Sonnenlichts. Denn eine Photozelle kann nur Photonen einer bestimmten Energie effizient in Strom umwandeln. Dafür braucht man nur einen Halbleiter dessen Bandlücke der Energie der Photonen entspricht. Photonen mit weniger Energie als die Bandlücke werden nicht absorbiert. Photonen mit mehr Energie erzeugen Ladungsträger die ihren Überschuss erst im Halbleiter als Wärme abgeben. Um so größer die Abweichung um so ineffizienter die Zelle. Mit nur einem Halbleiter und normalem Sonnenlicht kann man höchstens eine Effizienz von 33.7% erreichen (Das Shockley-Queisser-Limit). Mit weiteren Schichten photovoltaischer Zellen kann man das verbessern. Die dafür nötigen Prozesse sind aber – außer für die Raumfahrt – zu teuer.

Die Forscher vom MIT haben über den Umweg der Thermophotovoltaik eine weitere, verblüffende Lösung für das Effizienzproblem gefunden. Anstatt eine bessere Photozelle für das Spektrum zu bauen, erzeugen sie ein besseres Spektrum für die Photozelle!

Dazu bringt man einen Körper mit Sonnenlicht zum Glühen und erzeugt Strom aus dem Licht dieses Glühens. Das klingt zunächst widersinnig. Die Photonen eines schwarzen Strahlers mit so niedriger Temperatur haben weniger Energie als beim Sonnenlicht und das Spektrum wird noch viel breiter. Viel schlechtere Bedingungen für eine Photozelle!

Spektrum-Halbleiter

Spektren der Schwarzkörperstrahlung und Bandlücken einiger Halbleiter

Ein schwarzer Strahler ist aber nur ein theoretisches Konstrukt. Reale Körper haben bei unterschliedlichen Wellenlängen unterschiedliche Emissionsgrade. Um so kleiner der Emissionsgrad, um so weniger Photonen dieser Wellenlänge werden emittiert. Den Forschern ist es nun gelungen mit Techniken aus der Halbleiterindustrie auf einem Siliziumwafer temperaturstabile Oberflächen mit bestimmten Emissionseigenschaften zu konstruieren.

oberflaeche

Arbeitsschritte zur Herstellung der Emissionsoberfläche

Je nach Konstruktion der Oberfläche sinkt der Emissionsgrad bei einer bestimmten Wellenlänge stark ab. Photonen mit weniger Energie werden kaum noch emittiert und gehen so bei der Stromerzeugung in der Photozelle nicht verloren.

emission

Emissionskoeffizient der Oberfläche mit unterschiedlichen Strukturgrößen. Photonen mit weniger als 0,6eV werden kaum emittiert.

Das erlaubt es nun drei Faktoren aufeinander abzustimmen:

  • Die Temperatur des glühenden Körpers
  • Die Wellenlänge bei der der Emissionsgrad abfällt
  • Die Wellenlänge ab der die Photozelle arbeitet

Die Arbeitstemperatur ist etwa 1000 Grad, das höchste das die Oberfläche noch aushält. Jetzt muss man nur noch den passenden Halbleiter für die Photozelle auswählen.

Halbleiter-Band

Galliumantimonit hat sich für Temperaturen um 1000 Grad bewährt.

Das Gesamtsystem ist dabei zunächst ein Spiegel oder Linsensystem als Konzentrator, ein Absorber auf der Sonnenzugewandten Seite, der den Emitter auf dessen Rückseite aufheizt. Das abgestrahlte Licht des Emitters wird von einer photovoltaischen Zelle in Strom umgewandelt. Anders als bei herkömmlicher Solarthermik kommt die Stromerzeugung also ohne bewegliche Teile aus. Jedoch muss die Photozelle ständig auf etwa 300K gekühlt werden, da sie sonst ihre Effizienz verliert, außerdem muss der Spiegel oder die Linse der Sonne nachgeführt werden. Ob diese Form der Stromerzeugung wirtschaftlicher als herkömmliche Methoden ist, muss also abgewartet werden. Die Forscher des MIT sind jedoch optimistisch.

Quellen:
Jeffrey B. Chou*, Yi Xiang Yeng, Yoonkyung E. Lee, Andrej Lenert, Veronika Rinnerbauer,
Ivan Celanovic, Marin Soljačić, Nicholas X. Fang, Evelyn N. Wang, and Sang-Gook Kim* (2014) “Enabling Ideal Selective Solar Absorption with 2D Metallic Dielectric Photonic Crystals”

Natalija Zorana Jovanovic (2005) “Two-Dimensional Photonic Crystals as Selective Emitters for Thermophotovoltaic Power Conversion Applications”

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