Thermo-photovoltaische Zellen
IMEC: Der Strom, der aus dem Ofen kommt
Die wenig bekannten thermo-photovoltaischen Zellen nutzen ausschließlich den infraroten Teil des Spektrums und erzeugen Strom aus Photonen, die nicht von der Sonne stammen, sondern von einer nahen Wärmequelle, die infrarote Wellenlängen abstrahlt.
Herkömmliche, für bestimmte Bereiche des sichtbaren Spektrums sensibilisierte Solarzellen nutzen diesen Anteil kaum oder gar nicht. Der Wirkungsgrad der thermo-photovoltaischen Zellen lässt sich durch den Aufbau mehrerer übereinander gestapelter und für unterschiedliche Spektralbereiche empfindliche Halbleiterübergänge (multi-junction cells) und mit optischen Konzentratoren zur Fokussierung des einfallenden Lichtes auf kleinere Sensorflächen stark erhöhen. Theoretisch lassen sich damit Wirkungsgrade weit über der 50-Prozent-Marke erzielen – mehr als mit der thermo-elektrischen Solarstromerzeugung über Dampfturbinen und Generatoren.
Allerdings eignet sich für die Thermo-PV nicht jede beliebige Wärmequelle. Diese Technik verlangt Wärmequellen mit hohen Temperaturen – bislang um oder über 1000 °C. Dabei müssen die Wärmequellen einen großen Anteil ihrer Wärme in Form von direkter Strahlung abgeben, also gute Radiatoren sein. Das ist der Fall bei Hochtemperaturöfen in der Glas- oder Stahlerzeugung, bei Hochtemperatur-Gasbrennern und bei Haushaltgeräten zur Warmwasserbereitung.
Hinzu kommt die Erforschung geeigneter Wandlermaterialien und der Mikrostrukturen zur Optimierung des Photonen- und Wärmeflusses in den thermo-photovoltaischen Zellen. Die Forschung wird seit mehr als zehn Jahren weltweit in diversen Richtungen vorangetrieben, um den Wirkungsgrad zu erhöhen und die notwendigen Strahltemperaturen der eingesetzten Wärmequellen auf wenig mehr als 100 °C abzusenken.
Damit die bis vor kurzem noch teuren Thermo-PV-Zellen eine realistische Alternative darstellen, sind industrie-geeigneten Low-cost Prozesse zur Fertigung notwendig. Vorteilhaft ist die Verwendung von Germanium-Substraten, die ein weit weniger aufwendiges Finishing der photonisch-elektronisch aktiven Oberflächen benötigen. Damit lassen sich vergleichbare Leistungsdaten wie bei den früher eingesetzten Substraten mit hoch polierter Oberfläche erzielen.
»Integrierte Thermo-PV-Zellen, zunächst als Premium-Angebote in den Prospekten der Heizungsbauer gelistet, können die sonst verlorene Abwärme von Heizungen in Form elektrischer Energie ernten«, sagt Philip Pieters, von Imec vzw in Leuven, Belgien. »Gasbrennern erzeugen dann Strom und speisen ihn in das öffentliche Stromnetz ein. Aber auch Backpack-Anwendungen für den Outdoor-Bereich sind denkbar. Hier kann die Wärmequelle als mitgeführter Energiespeicher dienen.«
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