Winzige Lücken sind besser als winzige Röhrchen

2014 stellte die Gruppe einen deutlich komplizierteren Ansatz für den Bau eines Absorbers vor. Ein Siliziumwafer wurde mit Nanoröhrchen aus Kohlenstoff beschichtet, um möglichst das gesamte Sonnenlicht zu absorbieren. Zusammen mit dem mehrschichtigen Emitter bauten die Forscher daraus ein praktisches System von der Größe eines Fingernagels (ein Quadratzentimeter), das eine gemessene Effizienz von über 3 Prozent erreichte.

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Die Effizienz ist dabei hauptsächlich durch die geringe Größe des Absorbers und Emitters begrenzt, aber auch die PV-Zelle war nicht auf dem aktuellen Stand der Technik. Eine bessere hatten die Forscher nicht zur Verfügung. Das gleiche System würde mit einer größeren Fläche und einer besseren PV-Zelle auch eine praktische Effizienz von etwa 10 Prozent erreichen. Mit weiteren Verbesserungen sehen sie mit der gleichen Technik auch Potenzial für eine Effizienz von etwa 20 Prozent bei einer Arbeitstemperatur von etwa 1.000 Grad Celsius.

In der Solarenergie wäre selbst diese Technik nicht konkurrenzfähig. Eine Effizienz von 20 Prozent entspricht ungefähr dem Niveau aktueller monokristalliner Siliziumzellen. Aber anders als Siliziumzellen für sichtbares Licht sind die PV-Zellen für das infrarote noch nicht in ihrer Entwicklung ausgereift. Zurzeit verwandeln sie im besten Fall nur die Hälfte der Photonen in brauchbare Ladungsträger. Die Technik der Absorber und Emitter ist damit inzwischen so gut geworden, dass nun doch die Entwicklung der passenden PV-Zellen für infrarotes Licht zum Flaschenhals zu werden droht. Denn die Entwicklung der Emitter war 2014 noch nicht am Ende.

Mit kleinen Abständen die klassische Physik überlisten

Anfang März dieses Jahres veröffentlichte die gleiche Gruppe vom MIT ein Paper, in dem sie die Wärmestrahlung zwischen zwei parallelen Strukturen aus Siliziumcarbid im Abstand unterhalb von 200 Nanometern untersuchte. Das ist deutlich kürzer als die Wellenlänge von infrarotem Licht - für die elektromagnetischen Wellen dieses Lichts das sogenannte Nahfeld. Die klassischen physikalischen Gesetzmäßigkeiten über die Emission von Wärmestrahlung gelten aber nur für das Fernfeld, also Abstände, die deutlich größer als die Wellenlänge des Lichts sind.

Die Forscher stellten dabei fest, dass die Energieübertragung sogar deutlich besser ist, als theoretisch vorhergesagt wurde. Bei einem Abstand von 54 Nanometern wurde in einem sehr engen Spektralbereich etwa 82-mal so viel Wärme abgestrahlt, wie im normalen Fernfeld möglich wäre. Auch wenn der Abstand kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist, könnte mit den Photonen der Wärmestrahlung im Nahfeld eine PV-Zelle ganz normal betrieben werden.

Trotz des geringen Abstands betrug der Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten 260 Grad Celsius, wobei die heiße Seite eine Temperatur von 450 Grad hatte. Dabei wurden etwa 6 Watt Wärme pro Quadratzentimeter übertragen, auf der Erde kommt das Sonnenlicht nur auf 0,1 Watt.

Mehr als nur Sonnenenergie

Zur möglichen Effizienz eines Systems, das auf diesem Prinzip beruht, haben sich die Forscher nicht geäußert. Zunächst müsse die Messung noch bestätigt werden. Dann gilt es, einen zuverlässigen Weg zu finden, um Geräte mit derart kleinen Abständen herzustellen, die mehr als nur einfache Messexperimente zulassen.

Ob die Technik in der Solarenergie eine Zukunft hat, kann durchaus hinterfragt werden. Vorerst sind mehrschichtige Solarmodule deutlich praktikabler, zumal die hohen Temperaturen für die Thermophotovoltaik nur durch zusätzliche Linsen oder Spiegel zur Konzentration des Sonnenlichts erzeugt werden können. Aber weil die Technik unabhängig von der Art der Wärmequelle funktioniert, sind auch ganz andere Anwendungsgebiete denkbar.

Zum Beispiel hat die Umwandlung von Wärme zu Strom in Radioisotopenbatterien nur eine Effizienz von vier bis fünf Prozent. Sie könnten dadurch mit weniger radioaktivem Material die gleiche Menge Strom liefern - ganz ohne bewegliche Teile, wie etwa bei Stirling-Motoren. Außerdem könnten sie Abwärme mit hohen Temperaturen in Stahl- oder Aluminiumhütten ausnutzen, genauso wie heiße Abgase von Verbrennungsmotoren und Turbinen.

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 PV-Zellen ins rechte Licht gerückt
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Schnuffel 04. Mai 2016

Von der Sonne wahrscheinlich. Es ist jedenfalls nicht sinnvoll, die künstliche...

Poison Nuke 29. Apr 2016

was ist denn mit "at 1000 suns" gemeint?

Quantium40 25. Apr 2016

Statt etwas wegzufiltern, was je nach Art des Filters entweder wegreflektieren oder in...

blub19 22. Apr 2016

hier wird nicht licht->Elektrisch->licht->Elektrisch gemacht. Hier wird Licht...

Netzweltler 22. Apr 2016

Bisher basieren über 90% aller Solarzellen auf poly- und multikristalliem Silizium, weil...


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