Solarzelle gewinnt Strom aus Sonnenhitze

Herkömmliche Solarzellen können nur einen Bruchteil des Sonnenspektrums zur Stromgewinnung nutzen. Die gesamte Energie im Sonnenlicht wollen Wissenschaftler nun mit einer neuartigen Solarzelle einfangen, um langfristig den Wirkungsgrad deutlich erhöhen zu können. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, konnten sie mit einem mehrschichtigen Prototyp sogar mit der bisher ungenutzten Wärmestrahlung im Sonnenlicht indirekt photovoltaischen Solarstrom erzeugen. Allerdings erreichten sie bisher nur Wirkungsgrade von wenigen Prozent.

„Konventionelle Solarzellen aus Silizium verwerten nicht alle Lichtteilchen im Sonnenlicht“, sagt Evelyn Wang vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Daher entwickelte sie mit ihren Kollegen eine sogenannte thermophotovoltaische Solarzelle mit etwa einem Zentimeter Kantenlänge. Auf deren Vorderseite setzten die Forscher einen Lichtabsorber aus Tausenden filigraner Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. Eng gebündelt und senkrecht angeordnet nahmen die Nanoröhrchen über 99 Prozent des Lichts aus einer Xenonlampe, die natürliches Sonnenlicht simulierte, auf. Zusätzliche Spiegel rund um die Solarzelle konnten das Licht um das 750-fache konzentrieren. Dabei heizten sich die Nanoröhrchen auf bis zu 962 Grad Celsius auf. Diese Hitze brachte eine zweite Schicht aus einem hauchdünnen photonischen Kristall aus Silizium und Siliziumoxid zum Glühen.

Farbige, kreisrunde Thermo-Solarzelle, strahlenförmig umgeben von kleinen Spiegeln.
Thermophotovoltaische Solarzelle

Das Licht, das von diesem glühenden Kristall ausgesendet wurde, fiel anschließend auf eine spezielle Solarzelle aus den Elementen Indium, Gallium, Arsen und Antimon. Über den photovoltaischen Effekt entstand elektrischer Strom. Der Wirkungsgrad dieses Moduls geben Wang und Kollegen mit 3,2 Prozent an. Damit liegt die Effizienz heute noch weit unter konventionellen Silizium-Solarzellen, die Wirkungsgrade von über zwanzig Prozent aufweisen.

Trotz dieser geringen Ausbeute sieht Wang in der Kopplung von absorbierter Sonnenhitze und photovoltaischen Zellen ein vielversprechendes Konzept für zukünftige Solarzellen. Denn theoretisch könnten mit solchen thermophotovoltaischen Modulen Wirkungsgrade von über achtzig Prozent erzielt werden. Zudem ließe sich die absorbierte Wärme gut speichern, um auch ohne direkte Sonnenstrahlung weiter Strom zu erzeugen. Interessant wäre ein geschicktes Moduldesign, das eine herkömmliche Solarzelle mit einer Absorptionszelle kombiniert, um die Vorteile beider Prinzipien für die Stromgewinnung zu nutzen.