News : Forscher nutzen Licht und Hitze zur Stromerzeugung

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Forscher der Universität Stanford haben einen neuen Prozess zur Umwandlung der Sonnenstrahlung in Energie entwickelt, der dank der gleichzeitigen Nutzung von Licht und Wärme in der Lage sein soll, die Effizienz heutiger Solarzellen mehr als zu verdoppeln. Potenziell könnte man ohne Subventionen mit Öl und Gas konkurrieren.

Der „Photon enhanced thermionic Emission“ oder kurz PETE (durch Photonen verbesserte glühelektrische Elektronenemission) genannte Prozess gewinnt im Gegensatz zur Photovoltaik, die ineffizienter wird, bei höheren Temperaturen an Effizienz. Als weiteren Vorteil nennen die Stanford-Forscher die geringen Kosten und leichte Verfügbarkeit der benötigten Materialien. Traditionelle Solarzellen wie jene auf Basis des Halbleiters Silizium wandeln die Photonen des Lichts ins Elektrizität um, nutzen dabei jedoch nur einen Teil des einfallenden Lichtspektrums, während der Rest in ungenutzte Wärme umgewandelt wird. Da für hitzebasierte Umwandlungssysteme hohe Temperaturen benötigt werden, die wiederum Solarzellen ineffizienter machen, konnte die Wärme bislang nicht genutzt werden.

YouTube-Video: Revolutionary Solar Energy Conversion Process Developed

Die Forschungsgruppe um Assistenzprofessor Nick Melosh fand nun aber heraus, dass mit einer dünnen Schicht Cäsium beschichtete Halbleitermaterialien – für den Versuch nutzten sie auf Grund seiner Eigenschaften bei hohen Temperaturen Galliumnitrid – sowohl Licht als auch Wärme zur Stromerzeugung genutzt werden können. Die Effizienz steigt dabei mit der Temperatur und erreicht ihr Maximum erst bei über 200 Grad Celsius. Da diese Temperaturen auf Dach-Panelen nicht erreicht werden, empfehlen die Forscher den Einsatz in Parabolschüsseln und ähnlichen in Solarkraftwerken genutzten Sonnenkollektoren, die das Sonnenlicht bündeln und Temperaturen von bis zu 800 Grad Celsius erreichen.

In solchen Kraftwerken ist in der Regel auch ein Mechanismus zur Umwandlung thermischer Energie vorhanden, der die Effizienz auch des neuen Prozesses nochmals steigern könnte. Dazu würde das Licht zunächst auf eine PETE-Vorrichtung treffen und die restliche Wärme anschließend von der vorhandenen Vorrichtung zur Wärmeumwandlung weiter genutzt werden. PETE alleine könnte Melosh zufolge mit konzentriertem Sonnenlicht eine Effizienz von 50 Prozent erreichen, auch wenn dies beim bisherigen Test noch deutlich verfehlt wurde. Zusammen mit einem zusätzlichen thermischen Umwandlungskreislauf seien theoretisch sogar 55 bis 60 Prozent möglich – fast das Dreifache heutiger Systeme. Dazu ist jedoch ein anderer Halbleiter nötig, vermutlich ein Material wie Galliumarsenid.

PETE-Vorrichtung in einer Ultrahoch-Vakuumkammer | Bild von Nick Melosh
PETE-Vorrichtung in einer Ultrahoch-Vakuumkammer | Bild von Nick Melosh

Durch den Einsatz in Sonnenkollektoren soll auch der Bedarf an Halbleitermaterial vergleichsweise gering sein. Die Forscher rechnen pro Kollektor in etwa mit dem Äquivalent eines 6-Zoll-Wafers. Melosh betont, dass es selbst wenn nicht die volle Effizienz von 55 bis 60 Prozent erreicht werde und man nur etwa 30 Prozent erreiche bereits ein Erfolg sei. Denn dies würde bereits eine Steigerung der Effizienz bisheriger Systeme um 50 Prozent bedeuten und könnte die Kosten im Wettbewerb mit Öl deutlich senken.