Mehr Solarstrom mit heißen Kathoden

Thermionischer Konverter kann gekoppelt mit einem Dampfgenerator Wirkungsgrade von 50 Prozent erreichen

Solarthermie-Kraftwerk
Solarthermie-Kraftwerk

Stanford (USA) - Kommerzielle Siliziumzellen wandeln ein knappes Fünftel der Sonnenenergie in elektrischen Strom um. Teure Solarmodule aus mehreren Schichten liefern etwa die doppelte Menge, sind für die Massenfertigung aber noch nicht geeignet. Noch mehr Strom wollen nun amerikanische Forscher mit einem neuen Konzept für Solarzellen erreichen. In der Fachzeitschrift "Nature Materials" präsentieren sie einen thermionischen Energiewandler, der gekoppelt mit einem Dampfgenerator einen extrem hohen Wirkungsgrad von 50 Prozent erreichen könnte.

"Dieser Solarkonverter könnte bei Temperaturen von über 200 Grad Celsius arbeiten", erklären Jared W. Schwede und seine Kollegen vom Geballe Laboratory for Advanced Materials an der Standford University. In ihrem Prototyp fängt nicht Silizium, sondern Galliumnitrid das Sonnenlicht auf. In dem Halbleiter werden Elektronen durch das Sonnenlicht angeregt. Dadurch können sie bei Temperaturen ab etwa 200 Grad von der aufgeheizten Kathode auf die kühlere Anode springen. In ersten Messungen konnten die Forscher mit diesem thermionischen Effekt einen Wirkungsgrad von etwa 25 Prozent erzielen.

Die notwendige Wärme lässt sich durch konzentrierte Sonnenstrahlung gewinnen, die über Spiegel auf das Solarmodul fokussiert wird. In Photovoltaik-Zellen war das Aufheizen durch das Sonnenlicht eher hinderlich, da sie den Wirkungsgrad der Module senkten. Wird die Hitze der Kathode nun zusätzlich zur Dampferzeugung genutzt, könnte eine Turbine angetrieben werden, die den gesamten Wirkungsgrad sogar auf 50 Prozent verdoppeln soll.

Marktreif sind diese thermionischen Solarkonverter allerdings noch nicht. Derzeit testen Schwede und Kollegen weitere Materialien, um die Stabilität zu erhöhen und möglichst Betriebstemperaturen von 400 bis 600 Grad Celsius zu erreichen. Gelingt diese Weiterentwicklung, wären thermionische Solarmodule eine verlockende Alternative für die vielen in Bau befindlichen Solarthermie-Kraftwerke, in denen durch konzentrierte Sonnenstrahlung ein Öl als Wärmesammler auf etwa 400 Grad aufgeheizt wird. Besonders für Wüstenstrom-Projekte, wie sie derzeit von der Desertec-Inititative geplant werden, könnte diese bisher nicht genutzte Methode zur Stromgewinnung aus Sonnenlicht von Interesse sein.