Forscher haben gerade einen Weg gefunden, Solarenergie deutlich effizienter zu machen. STEG steht für Solar Thermoelectric Generator. Das Gerät funktioniert nach einem einfachen Prinzip namens Seebeck-Effekt, bei dem ein Temperaturunterschied zwischen zwei verschiedenen Leitern eine Spannung erzeugt.
Der Rochester-Forscher Ghunlei Guo nutzt künstliches Sonnenlicht, um sein STEG-Material zu testen, das mit Tausenden von Laserpulsen geätzt wird. J. Adam Fenster/Universität Rochester
Einfach ausgedrückt ist ein STEG ein Gerät, das an einem Ende kalt und am anderen Ende heiß ist, wobei Strom durch einen dazwischen liegenden Halbleiter fließt. Der STEG ist ein Festkörpergerät ohne bewegliche Teile, und während das heiße Ende durch Sonnenenergie erhitzt werden kann, kann es praktisch jede Art von Wärmeenergie nutzen, um hohe Temperaturen aufrechtzuerhalten.
Obwohl sich das alles nach einer Form der passiven Stromerzeugung anhört, konnten STEGs traditionell weniger als 1 % des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Im Vergleich dazu haben Perowskit/Silizium-Solarzellen Energieumwandlungsraten von über 30 % erreicht, und es erscheint unwahrscheinlich, dass STEG Perowskit/Silizium-Solarzellen kurzfristig als legitime und weit verbreitete Quelle sauberer Energie ersetzen wird.
Ein neuer Durchbruch von Forschern der Universität Rochester scheint jedoch bereit zu sein, diese Wahrnehmung zu ändern. Durch die Untersuchung der Materialien auf beiden Seiten des STEG konnte das Team dessen Effizienz bei der Umwandlung von Solarwärme in Elektrizität auf 15 % steigern. Die in der Fachzeitschrift Light: Science and Applications veröffentlichte Studie beschreibt den Durchbruch, der laut Co-Autor Chunlei Guo eine radikale Abkehr von früheren Forschungsschwerpunkten darstellt.
„Die Forschungsgemeinschaft arbeitet seit Jahrzehnten an der Verbesserung der in STEG verwendeten Halbleitermaterialien und hat einige Fortschritte bei der Gesamteffizienz erzielt“, sagte er. „In dieser Studie haben wir nicht einmal die Halbleitermaterialien berührt, sondern uns auf die heißen und kalten Seiten des Geräts konzentriert. Durch die Kombination besserer Sonnenabsorptions- und Wärmespeichereigenschaften auf der heißen Seite mit besserer Wärmeableitung auf der kalten Seite haben wir erstaunliche Effizienzverbesserungen erzielt.“
Das Team nutzt einen Laseroszillator, um Lichtimpulse zu erzeugen, um Nanostrukturen auf thermoelektrische Generatoren zu ätzen
Um diese Verbesserung zu erreichen, begannen Guo und sein Team mit einem einzigartigen schwarzen Metall, das 2020 von seinem Labor erfunden wurde. Um das Metall herzustellen, verwendeten sie zunächst Wolfram und sandstrahlten es dann mit Femtosekunden-Laserimpulsen (einer Reihe ultrakurzer Lichtimpulse, die die Oberfläche des Metalls ätzen). Dadurch erhält das Wolfram nicht nur eine wärmeabsorbierende schwarze Farbe, sondern die Platzierung der lasererzeugten Grübchen ermöglicht es ihm auch, mehr Wärme aus dem Sonnenlicht zu absorbieren und länger zu speichern.
Als nächstes wird der Wolframdraht mit „einem Stück Plastik ummantelt, um ein Miniaturgewächshaus zu schaffen, wie es auf einem Bauernhof existiert“, erklärt Guo. Dadurch wird die Wärme besser gespeichert.
Für die kalte Seite des STEG richtete das Team einen ultraschnellen Laser auf ein Aluminiumblech, um einen Kühlkörper mit hervorragenden Wärmeableitungseigenschaften zu schaffen. Tatsächlich sagen die Forscher, dass ihr geätztes Aluminium die Wärme doppelt so gut ableitet wie normales Aluminium.
Nahaufnahme von geätztem Wolfram J. Adam Fenster/Universität Rochester
Auch wenn es noch einige Zeit dauern wird, bis STEG Strom im Netzmaßstab liefert, sagen die Forscher, dass ihr Durchbruch – der durch die Stromversorgung einer Reihe von LED-Leuchten demonstriert wurde – in Anwendungen eingesetzt werden könnte, die weniger Strom benötigen, wie zum Beispiel bei der Arbeit im Internet der Dinge, der Stromversorgung tragbarer Geräte oder der Stromversorgung einzelner Haushalte in ländlichen Gebieten.
Quelle: Universität Rochester