Neues Konzept macht Sonnenstromerzeugung 15 Mal effizienter

Photovoltaik ist nicht die einzige Methode, um aus Sonnenlicht Strom zu gewinnen. Sogenannte solare thermoelektrische Generatoren (STEG, Solar Thermoelectric Generator) können das auch. Sie nutzen dabei den Wärmeunterschied zwischen ihrer Vorder- und Rückseite, um eine Spannungsdifferenz aufzubauen. Dieser sogenannte Seebek-Effekt wird etwa auch bei Radionuklidbatterien genutzt, wo die Wärme allerdings von nuklearem Zerfall stammt.

Das Problem bei einer solchen Art der Energieerzeugung ist allerdings ihre schlechte Effizienz. Bei den meisten solaren thermoelektrischen Generatoren heutzutage wird weniger als 1 Prozent des Sonnenlichts auch in Strom verwandelt. Im Handel erhältliche Photovoltaikanlagen schaffen mehr als 20 Prozent.

Effizienz verfünfzehnfacht

Diese Effizienzlücke konnte allerdings von Forschern der britischen Universität Rochester dramatisch verkleinert werden. Sie entwickelten ein STEG-Gerät, das 15 Mal mehr Energie erzeugen kann als bisherige Generatoren.

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"Seit Jahrzehnten konzentriert sich die Forschung auf die Verbesserung der Halbleitermaterialien, die in STEGs verwendet werden, und hat dabei bescheidene Fortschritte bei der Gesamteffizienz erzielt", sagt Chunlei Guo, Professor für Optik und Physik in einer Aussendung. "In dieser Studie greifen wir die Halbleitermaterialien nicht einmal an, sondern konzentrieren uns stattdessen auf die heiße und die kalte Seite des Geräts. Durch die Kombination einer besseren Absorption der Sonnenenergie und des Wärmeeinschlusses auf der heißen Seite mit einer besseren Wärmeableitung auf der kalten Seite haben wir eine erstaunliche Verbesserung des Wirkungsgrads erreicht."

Heiße Oberseite

Die neuen hocheffizienten STEGs bestehen dabei aus speziell behandeltem schwarzen Wolfram, das Licht in bestimmten Wellenlängen selektiv absorbieren kann. Mit einem Laser ätzten die Forscher zudem Nano-Strukturen in das Metall und verbesserten somit die Wärmeaufnahme, während der Wärmeverlust gleichzeitig reduziert werden konnte.

Zudem bedeckten die Forscher das schwarze Metall mit einem Stück Plastik, "um eine Art Mini-Gewächshaus zu schaffen", wie Guo erklärt. Das ermöglicht, noch mehr Wärme zu speichern und die Temperatur auf der heißen Seite zu erhöhen. Die Temperaturen lagen dabei - je nach Sonnenkonzentration - zwischen 40 und 120 Grad Celsius.

Kalte Unterseite

Zu guter Letzt behandelten sich auch die kalte Seite des STEGs mit einem Laser. Als Material verwendeten sie dort Aluminium, das die Wärme besser abgeben kann. Durch die Laserbehandlung konnte die Kühlleistung im Vergleich zu einem unbehandelten Wärmeableiter verdoppelt werden. Die Temperaturdifferenz lag zwischen 5 und 25 Grad Celsius.

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In der Studie demonstrierten Guo und sein Team, wie ihre STEGS verwendet werden können, um LEDs viel effektiver zu betreiben als mit den derzeitigen Methoden. Laut Guo könnte die Technologie auch zur Stromversorgung von drahtlosen Sensoren, zur Versorgung von tragbaren Geräten oder als netzunabhängige erneuerbare Energiesysteme in ländlichen Gebieten eingesetzt werden.

Noch sehr teuer

Auch eine Kombination mit Photovoltaikenergie ist denkbar. Sehr hohe Temperaturen sind hier allerdings unerwünscht, da PV-Module immer ineffizienter werden, je höher die Temperaturen steigen. Daher muss ein Sweetspot gefunden werden, wo sowohl PV-Anlage als auch STEG optimal Energie erzeugen können.

Anders sieht es bei Kraftwerken aus, die Sonnenenergie auf einen Punkt bündeln, um eine Flüssigkeit zu erhitzen und auch den Dampf eine Turbine anzutreiben. Hier ist die Abwärme sehr hoch, wodurch optimale Bedingungen für die thermoelektrischen Generatoren herrschen.

Bis STEGs allerdings großflächig eingesetzt werden können, müssen zunächst einmal die Herstellungskosten sinken. Im Vergleich mit Photovoltaik sind diese nämlich deutlich höher.