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So zapfen Sie die Sonnenenergie sowohl durch Wärme als auch durch Licht an
Ein neuer Ansatz zur Gewinnung von Sonnenenergie, der von Forschern des MIT entwickelt wurde, könnte die Effizienz verbessern, indem Sonnenlicht zum Erhitzen eines Hochtemperaturmaterials verwendet wird, dessen Infrarotstrahlung dann von einer herkömmlichen Photovoltaikzelle gesammelt würde. Diese Technik könnte es auch einfacher machen, die Energie für eine spätere Verwendung zu speichern, sagen die Forscher.
Eine nanophotonische solarthermophotovoltaische Vorrichtung, die aus einem Array mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren als Absorber, einem eindimensionalen photonischen Silizium/Siliziumdioxid-Kristall als Emitter und einer 0,55 eV-Photovoltaikzelle besteht. Foto mit freundlicher Genehmigung von John Friedrich.
In diesem Fall verbessert das Hinzufügen des zusätzlichen Schrittes die Leistung, da es ermöglicht, Lichtwellenlängen zu nutzen, die normalerweise verschwendet werden. Der Prozess wird in einem diese Woche in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel beschrieben Natur Nanotechnologie , geschrieben vom Doktoranden Andrej Lenert, der außerordentlichen Professorin für Maschinenbau Evelyn Wang, dem Physikprofessor Marin Soljačić, dem leitenden Wissenschaftler Ivan Celanović und drei anderen.
Eine herkömmliche Solarzelle auf Siliziumbasis nutzt nicht alle Photonen, erklärt Wang. Das liegt daran, dass die Umwandlung der Energie eines Photons in Elektrizität erfordert, dass das Energieniveau des Photons dem einer Eigenschaft des photovoltaischen (PV) Materials entspricht, die als Bandlücke bezeichnet wird. Die Bandlücke von Silizium reagiert auf viele Wellenlängen des Lichts, übersieht jedoch viele andere.
Um diese Einschränkung zu beheben, fügte das Team ein zweischichtiges Absorber-Emitter-Gerät – bestehend aus neuartigen Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren und photonischen Kristallen – zwischen das Sonnenlicht und die PV-Zelle ein. Dieses Zwischenmaterial sammelt Energie aus einem breiten Spektrum des Sonnenlichts und erwärmt sich dabei. Beim Aufheizen emittiert es wie bei einem rotglühenden Eisenstück Licht einer bestimmten Wellenlänge, das in diesem Fall auf die Bandlücke der daneben montierten PV-Zelle abgestimmt ist.
Dieses Grundkonzept wird seit mehreren Jahren erforscht, da theoretisch solche solarthermophotovoltaischen (STPV)-Systeme eine Möglichkeit bieten könnten, eine theoretische Grenze der Energieumwandlungseffizienz halbleiterbasierter Photovoltaikgeräte zu umgehen. Diese Grenze, die als Shockley-Queisser-Grenze bezeichnet wird, legt eine Obergrenze von 33,7 Prozent für eine solche Effizienz fest, aber Wang sagt, dass die Effizienz bei TPV-Systemen deutlich höher wäre – sie könnte idealerweise über 80 Prozent liegen.
Es gab viele praktische Hindernisse für die Verwirklichung dieses Potenzials; frühere Experimente waren nicht in der Lage, ein STPV-Gerät mit einer Effizienz von mehr als 1 Prozent herzustellen. Aber Lenert, Wang und ihr Team haben bereits ein erstes Testgerät mit einem gemessenen Wirkungsgrad von 3,2 Prozent produziert und gehen davon aus, dass sie mit weiteren Arbeiten einen Wirkungsgrad von 20 Prozent erreichen wollen – genug für ein kommerziell tragfähiges Produkt .
Das Design des zweischichtigen Absorber-Emitter-Materials ist der Schlüssel zu dieser Verbesserung. Seine dem Sonnenlicht zugewandte äußere Schicht besteht aus mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die die Energie des Lichts sehr effizient absorbieren und in Wärme umwandeln. Diese Schicht ist fest mit einer Schicht eines photonischen Kristalls verbunden, der genau so konstruiert ist, dass er beim Erhitzen durch die angebrachte Nanoröhrenschicht mit Licht leuchtet, dessen Spitzenintensität meist über der Bandlücke des benachbarten PV liegt, wodurch sichergestellt wird, dass die meisten der vom Absorber gesammelten Energie wird dann in Strom umgewandelt.
In ihren Experimenten verwendeten die Forscher simuliertes Sonnenlicht und stellten fest, dass seine maximale Effizienz erreicht wurde, wenn seine Intensität einem Fokussierungssystem entsprach, das das Sonnenlicht um den Faktor 750 konzentriert. Dieses Licht erhitzte den Absorber-Emitter auf eine Temperatur von 962 Grad Celsius.
Dieser Konzentrationsgrad ist bereits viel niedriger als bei früheren Versuchen mit STPV-Systemen, die Sonnenlicht um einen Faktor von mehreren Tausend konzentrierten. Aber die MIT-Forscher sagen, dass es nach einer weiteren Optimierung möglich sein sollte, die gleiche Art von Verbesserung bei noch geringeren Sonnenlichtkonzentrationen zu erzielen, wodurch die Systeme einfacher zu bedienen sind.
Ein solches System, so das Team, vereine die Vorteile von Photovoltaik-Solaranlagen, die Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln, und Solarthermie-Anlagen, die bei einer verzögerten Nutzung einen Vorteil haben können, weil sich Wärme leichter speichern lässt als Strom. Die neuen Solarthermophotovoltaik-Systeme könnten aufgrund ihrer breitbandigen Absorption des Sonnenlichts Effizienz bieten; Skalierbarkeit und Kompaktheit, da sie auf bestehender Chip-Fertigungstechnologie basieren; und einfache Energiespeicherung aufgrund ihrer Abhängigkeit von Wärme.
Einige der Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung des Systems sind recht einfach. Da die Zwischenstufe des Systems, der Absorber-Emitter, auf hohe Temperaturen angewiesen ist, ist seine Größe entscheidend: Je größer ein Objekt ist, desto weniger Oberfläche hat es im Verhältnis zu seinem Volumen, sodass die Wärmeverluste mit zunehmender Größe rapide abnehmen. Die ersten Tests wurden auf einem 1-Zentimeter-Chip durchgeführt, aber Folgetests werden mit einem 10-Zentimeter-Chip durchgeführt, heißt es.
Zhuomin Zhang, Professor für Maschinenbau am Georgia Institute of Technology, der nicht an dieser Forschung beteiligt war, sagt: Diese Arbeit ist ein Durchbruch in der Solarthermophotovoltaik, die im Prinzip eine höhere Effizienz als herkömmliche Solarzellen erreichen kann, weil STPV die Vorteile nutzen kann das gesamte Sonnenspektrum. … Diese Leistung ebnet den Weg für eine schnelle Steigerung der STPV-Effizienz.
Zum Forschungsteam gehörten auch die MIT-Doktoranden David Bierman und Walker Chan, der ehemalige Postdoc Youngsuk Nam und der Forscher Ivan Celanović. Die Arbeit wurde vom US-Energieministerium durch das Solid-State Solar Thermal Energy Conversion (S3TEC) Center des MIT sowie von der Martin Family Society, der MIT Energy Initiative und der National Science Foundation finanziert.