Im Streben nach Energieunabhängigkeit haben Forscher solarthermoelektrische Generatoren (STEG) als vielversprechende Quelle zur Erzeugung von Solarstrom untersucht. Im Gegensatz zur derzeit in den meisten Solarmodulen eingesetzten Photovoltaik können STEGs neben Sonnenlicht auch alle Arten von Wärmeenergie nutzen. Die einfachen Geräte bestehen aus einer heißen und einer kalten Seite, zwischen denen sich Halbleitermaterialien befinden. Durch den Temperaturunterschied zwischen den Seiten wird gemäß einem physikalischen Phänomen, dem Seebeck-Effekt, Strom erzeugt.
Derzeit weisen STEGs jedoch erhebliche Effizienzeinschränkungen auf, die ihre breitere Anwendung als praktische Form der Energieerzeugung verhindern. Derzeit wandeln die meisten solarthermischen Generatoren weniger als ein Prozent des Sonnenlichts in Strom um, während Solaranlagen für Privathaushalte etwa 20 Prozent erreichen.
Diese Effizienzlücke konnte durch neue Techniken verringert werden, die von Forschern am Institute of Optics der University of Rochester entwickelt wurden. In einer im Magazin Light: Science and Applications veröffentlichten Studie beschrieb das Team seine einzigartigen Methoden der Spektraltechnik und des Wärmemanagements. Mithilfe dieser Techniken entwickelte das Team ein STEG-Gerät, das 15-mal mehr Leistung erzeugt als frühere Geräte.
Energie neu gedacht: Hocheffiziente STEGs
„Seit Jahrzehnten konzentriert sich die Forschungsgemeinschaft auf die Verbesserung der in STEGs verwendeten Halbleitermaterialien und hat dabei bescheidene Steigerungen der Gesamteffizienz erzielt“, sagt Chunlei Guo, Professor für Optik und Physik sowie leitender Wissenschaftler am Laboratory for Laser Energetics der University of Rochester. „In dieser Studie haben wir die Halbleitermaterialien nicht einmal berührt – stattdessen haben wir uns auf die heiße und die kalte Seite des Geräts konzentriert. Durch die Kombination einer besseren Absorption von Sonnenenergie und Wärmespeicherung auf der heißen Seite mit einer besseren Wärmeableitung auf der kalten Seite konnten wir eine erstaunliche Effizienzsteigerung erreichen.“
Die neuen, hocheffizienten STEGs wurden nach drei Strategien entwickelt. Zunächst nutzten die Forscher auf der heißen Seite des STEG eine spezielle Schwarzmetalltechnologie, die in Guos Labor entwickelt wurde, um normales Wolfram so umzuwandeln, dass es selektiv Licht im Wellenlängenbereich der Sonne absorbiert. Mithilfe von leistungsstarken Femtosekunden-Laserpulsen ätzten sie anschließend Nanostrukturen in die Metalloberflächen. So verbesserten sie die Energieabsorption des Materials aus Sonnenlicht und reduzierten gleichzeitig die Wärmeableitung bei anderen Wellenlängen.
Zweitens bedeckten die Forscher das schwarze Metall mit einem Stück Plastik, um ein Mini-Gewächshaus zu bauen, „genau wie auf einem Bauernhof“, sagt Guo. „So kann man Konvektion und Wärmeleitung minimieren, um mehr Wärme einzufangen und die Temperatur auf der heißen Seite zu erhöhen.“ Schließlich nutzten sie auf der kalten Seite des STEG erneut Femtosekunden-Laserpulse, diesmal jedoch auf herkömmlichem Aluminium. So entstand ein Kühlkörper mit winzigen Strukturen, der die Wärmeableitung durch Strahlung und Konvektion verbesserte. Dieser Prozess verdoppelt die Kühlleistung eines typischen Aluminium-Kühlkörpers.
In der Studie demonstrierten Guo und sein Forschungsteam, wie sich mit ihren STEGS LEDs deutlich effizienter betreiben lassen als mit bisherigen Methoden. Laut Guo könnte die Technologie zur Stromversorgung drahtloser Sensoren für das Internet der Dinge, zur Versorgung tragbarer Geräte oder als netzunabhängige erneuerbare Energiesysteme in ländlichen Gebieten eingesetzt werden.
