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Thermophotovoltaik: Die echte Sonne ist manchmal nicht gut genug

Bei der Suche nach effizienteren Wegen, Strom aus Sonnenlicht zu erzeugen, ist das natürliche Sonnenlicht das größte Hindernis. Anstatt bessere Solarzellen zu bauen, versuchen einige Forscher, an besseres Sonnenlicht heranzukommen.

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Künstliche Sonnen sind für die Solarenergie manchmal besser als die echte.
Künstliche Sonnen sind für die Solarenergie manchmal besser als die echte. (Bild: Nasa)

Bei der effizienten Herstellung von Strom aus Sonnenlicht Strom kommen einfache Photovoltaikzellen bald an ihre physikalischen Grenzen. Komplexere Solarzellen sind ein Weg, diese Grenzen zu umgehen. Aber einige Forscher versuchen stattdessen, ein künstliches Sonnenlicht zu erzeugen, das sich effizienter umwandeln lässt. Nach Versuchen mit speziellen Materialien und Kohlenstoffnanoröhren haben Wissenschaftler vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) kürzlich ein neues Paper veröffentlicht, in dem die Untersuchung von Wärmestrahlung über Distanzen im Nanometerbereich vielversprechende Ergebnisse zeigte.

Inhalt:
  1. Thermophotovoltaik: Die echte Sonne ist manchmal nicht gut genug
  2. PV-Zellen ins rechte Licht gerückt
  3. Winzige Lücken sind besser als winzige Röhrchen

Die wichtigste Grenze bei der Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht mit Photovoltaik ist das Shockley-Queisser-Limit. Es begrenzt die mögliche Effizienz von Photovoltaikzellen (PV-Zellen). Der Grund dafür ist das breite Sonnenspektrum. PV-Zellen können immer nur auf Photonen mit einer bestimmten Energie optimiert werden. Photonen mit weniger Energie werden nicht absorbiert und die zusätzliche Energie der anderen Photonen wird nicht in Strom umgewandelt, sondern in Wärme.

Damit wird jede PV-Zelle zum Kompromiss: Entweder sie wandelt die energiereichen Photonen im kurzwelligen Bereich des Spektrums effizient in Strom um und verliert die weniger energiereichen Photonen komplett, oder sie wandelt alle Photonen in Strom um, verliert aber gerade bei den energiereichen Photonen den größten Teil der Energie als Wärme.

Künstliches Licht ist besser für Solarzellen

Das theoretische Limit liegt bei einer Effizienz von 33,7 Prozent, wenn eine ideale PV-Zelle mit normalem Sonnenlicht beschienen wird. Aber es gibt Wege, das Limit zu überspringen. Eine aufwendige Möglichkeit ist es, mehrere Schichten von PV-Zellen verschiedener Materialien zu benutzen, die nicht absorbiertes Licht der oberen Schichten doch noch absorbieren und in Strom umwandeln. Es ist ein alter Ansatz, der funktioniert und vor allem in der Raumfahrt eingesetzt wird, wo Geld kaum eine Rolle spielt.

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Ein neuer Ansatz ist die Thermophotovoltaik. Man besorgt sich eine andere Sonne - mit Licht in einem engen Spektrum. Wenn alle Photonen ungefähr gleich viel Energie haben, geht durch den Kompromiss bei der Auswahl der PV-Zelle nicht mehr so viel Energie verloren. Die Sonne kann natürlich nicht ersetzt werden, aber eine andere Strahlenquelle ist leicht zu besorgen. Wenn die Strahlenquelle ein schmales Spektrum hat, ließe sich damit das Effizienzlimit für eine einfache PV-Zelle theoretisch in die Region von 80 Prozent verschieben. Die Praxis hängt dieser Theorie aber noch weit hinterher.

Eine künstliche Sonne zu erzeugen, ist dabei kein Problem. Jeder heiße Gegenstand sendet Licht aus, und mit Sonnenlicht können Gegenstände leicht aufgeheizt werden. Die künstliche Sonne strahlt dann zwar hauptsächlich infrarotes Licht aus, aber auch dafür können passende PV-Zellen hergestellt werden. Der Trick besteht darin, das Spektrum dieses infraroten Lichts möglichst schmal zu machen. Dann haben alle Photonen ähnlich viel Energie und können damit in einer PV-Zelle mit weniger Kompromissen viel effizienter in Strom umgewandelt werden.

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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