Mehr Strom dank PETE

Stanford-Ingenieure haben Solarenergie mit einer alten, in Satelliten genutzten Energiequelle kombiniert. Damit sollen Wirkungsgrade von 50 Prozent möglich werden.

Die heutige Solarenergie beruht auf der direkten Umwandlung von Sonnenlicht in Strom oder in Wärme, die Generatoren antreibt. Eine neue Möglichkeit hat nun die Gruppe von Nicholas Melosh an der Stanford University entdeckt: Die Ingenieure kombinieren Licht und Wärme in einem einzigen, ungewöhnlichen Verfahren.

In der Versuchsanlage von Meloshs Gruppe finden zwei verschiedene Prozesse statt. Zum einen werden Elektronen in einer Elektrode vom Sonnenlicht über den photoelektrischen Effekt angeregt. Solare Wärme gibt diesen Elektronen dann zusätzliche Energie, so dass sie im Vakuum auf eine andere Elektrode springen, wodurch ein nutzbarer elektrischer Strom entsteht. Das Gerät könnte zudem überschüssige Wärme an einen Generator abgeben. Damit, hofft Melosh, könnte die Technologie dann auf einen Wirkungsgrad von 50 Prozent kommen.

Der liegt in herkömmlichen Solarzellen aus Silizium bei 15 bis 20 Prozent. Die Hälfte der einfallenden Strahlung geht dabei als Wärme verloren. Das liegt daran, dass in Silizium – ebenso wie in anderen Halbleitern – nur Licht unterhalb einer bestimmten Wellenlänge die Elektronen in Bewegung setzen kann. Strahlung, deren Energie kleiner als die so genannte Bandlücke des Halbleiters ist, heizt das Material lediglich auf.

Der bislang vielversprechendste Weg, mehr aus Solarzellen herauszuholen, sind Stapelzellen. In ihnen schichtet man mehrere Halbleitermaterialien übereinander, die zusammengenommen einen größeren Wellenlängenbereich des Sonnenlichtspektrums absorbieren. Auf diese Weise sind Wirkungsgrade von bis zu 40 Prozent möglich. Nachteil: Die Herstellung dieser Zellen ist aufwändig und teuer.

Nicholas Melosh ließ sich für den neuen Ansatz zunächst von kombinierten Wärmekraftmaschinen inspirieren, in denen zugleich ein brennendes, sich ausdehnendes Gas eine Turbine antreibt und die dabei anfallende Verbrennungswärme zusätzlich in eine Dampfmaschine gesteckt wird. Solche Anlagen mit herkömmlicher Solartechnik zu verbinden ist allerdings schwierig: Mit zunehmender Temperatur steigt zwar die Effizienz der Wärmemaschine, sinkt aber zugleich der Wirkungsgrad von Solarzellen. Bei 100 Grad Celsius arbeiten sie nur noch schlecht, bei über 200 Grad gar nicht mehr.

Der Durchbruch gelang Melosh und seinen Kollegen, als ihnen klar wurde, dass Sonnenlicht die Energieumwandlung in einem so genannten thermionischen Konverter verbessern könnte. Der wird gewöhnlich nur mit Wärme angetrieben. Er besteht aus zwei Elektroden, die einen geringen Abstand haben. Wird die Kathode erhitzt, regt die Wärmeenergie Elektronen an, die dann auf auf die Anode überspringen. Diese Bewegung lässt sich als Strom nutzen, wenn man beide Elektroden extern miteinander verbindet.

Bislang haben thermionische Konverter russische Satelliten mit Strom versorgt. Für irdischere Anwendungen war ihre Arbeitstemperatur von 1500 Grad zu heiß, um einen effizienten Betrieb zu ermöglichen. Die Kathode besteht üblicherweise aus Cäsium.

Meloshs Gruppe ersetzte das Cäsium nun durch eine Halbleiterscheibe aus Galliumnitrid. Anders als in dem Metall können in dem Halbleiter sowohl Wärme als auch Licht die Elektronen anregen. Strahlungsenergie bewirkt im ersten Schritt eine „Voranregung“, und Wärmeenergie jagt die Elektronen dann aus der Kathode hinüber zur Anode. Der Vorteil dieses Zweistufenprozesses ist, dass er mit einer niedrigeren Arbeitstemperatur auskommt als ein herkömmlicher thermionischer Konverter.

Die Stanford-Forscher nennen ihr Prinzip „PETE“, für „photon-enhanced thermionic emission“ (photonenverstärkte thermionische Emission). „Durch die Strahlung wird das Energieniveau der Elektronen angehoben, so dass sie fließen können“, erläutert Gang Chen, Elektroingenieur am MIT, das Ausgangsprinzip. „Bis zu einem praktisch einsetzbaren Gerät ist es jedoch noch ein weiter Weg.“ Die Arbeit zeige aber, dass der Ansatz funktioniere.

Das von Melosh verwendete Galliumnitrid wandelt bei einer Temperatur von 200 Grad etwa 25 Prozent des absorbierten Lichts in Strom um. Im Unterschied zu anderen Halbleitern nimmt der Wirkungsgrad mit steigender Temperatur noch zu. Stuart Licht, Chemiker an der George Washington University, sieht eine PETE-Anlage gegenüber Solarzellen denn auch „im Vorteil“. Es sei aber noch viel Entwicklungsarbeit nötig, um aus dem Prototyp eine effiziente Maschine zu machen.

Derzeit testen Melosh und seine Mitarbeiter andere Halbleiter wie Galliumarsenid. Zudem suchen sie nach Verfahren, um die Materialien so robust zu machen, dass sie auch bei Temperaturen von 400 bis 600 Grad funktionieren. Diese Temperaturen könnte man mit Solarkonzentratoren erzeugen.

Die PETE-Anlage wird allerdings in jedem Fall mehr Wärme erzeugen, als zum Herauslösen der angeregten Elektronen nötig ist. Melosh will sie deswegen mit einem Dampferzeuger koppeln, der eine Turbine antreibt. Für den Einsatz auf Hausdächern dürfte diese Anordnung aber zu groß sein. Melosh sieht sie eher als künftige Stromquelle in großen Solarfarmen. Sein Ziel ist, eine erste kommerziell einsetzbare Anlage in drei Jahren fertig zu haben.


Das Paper:
Schwede, J. et al., „Photon-enhanced thermionic emission for solar concentrator systems“, Nature Materials, Online-Veröffentlichung, 1.8.2010 (Abstract) (nbo)