Das Institute of Optics der University of Rochester in den Vereinigten Staaten gab kürzlich bekannt, dass sein wissenschaftliches Forschungsteam die Stromerzeugungseffizienz des solarthermischen Generators (STEG) durch innovative Designs in Struktur und Wärmemanagement um etwa das Fünfzehnfache gesteigert hat, was praktische Hoffnung für diese langfristige „keine Verbesserung“-Methode der Solarenergienutzung bringt. Relevante Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Light: Science and Applications“ veröffentlicht und zeigen, dass eine wesentliche Verbesserung der Ausgabeleistung erreicht werden kann, während das Gewicht des Geräts nur um etwa 25 % erhöht wird.
Im Gegensatz zu Haushalts-Photovoltaikmodulen, die Photonen direkt in elektrische Energie umwandeln, nutzen thermoelektrische Solargeneratoren den Temperaturunterschied zwischen dem „heißen und dem kalten Ende“ zur Stromerzeugung. Sein Kernmechanismus ist der Seebeck-Effekt in Halbleitermaterialien: Wenn ein Ende des Geräts erhitzt und das andere Ende niedrig gehalten wird, treibt der Temperaturunterschied die Ladungsträger in eine gerichtete Bewegung und erzeugt so elektrischen Strom. Allerdings lag der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung bestehender STEG lange Zeit im Allgemeinen bei weniger als 1 %, was weit unter dem üblichen Wirkungsgrad von etwa 20 % für Photovoltaik auf Hausdächern liegt. Diese große Lücke macht es schwierig, in der Praxis mitzuhalten.
Das Team der University of Rochester wies darauf hin, dass sich die wissenschaftliche Forschungsgemeinschaft in der Vergangenheit hauptsächlich auf die Verbesserung der Halbleitermaterialien in der Mitte des Geräts konzentriert habe. Obwohl einige Fortschritte erzielt wurden, ist die Verbesserung der Gesamteffizienz sehr begrenzt. Guo Chunlei, Forschungsleiter und Professor für Optik und Physik, sagte, dass diese Arbeit den Halbleiterkörper kaum berührte, sondern sich auf die Seiten des „heißen Endes“ und des „kalten Endes“ konzentrierte. Durch die Verbesserung der Wärmeaufnahme und -isolierung sowie der Verbesserung der Wärmeableitung wurde der Temperaturunterschied verdoppelt, was zu „erstaunlichen“ Effizienzverbesserungen führte.
Am „heißen Ende“ verwendeten Forscher Femtosekundenlaser, um Oberflächen-Mikronanostrukturen auf gewöhnlichen Wolframmaterialien zu bearbeiten, um sie zu einem selektiven Solarabsorber (W-SSA) vorzubereiten. Diese modifizierte schwarze Metalloberfläche kann bei hohen Temperaturen mehr als 80 % des einfallenden Sonnenlichts absorbieren und gleichzeitig den Verlust der Infrarotstrahlung reduzieren, wodurch die absorbierte Energie so weit wie möglich im System bleibt. Um den Wärmeverlust durch Luftkonvektion weiter zu verringern, kapselte das Team den Absorber in einen kleinen Kunststoffhohlraum ein, wodurch er einem „Miniaturgewächshaus“ ähnelte. Es wird gesagt, dass dadurch der durch Konvektion verursachte Wärmeverlust um mehr als 40 % reduziert werden kann.
Am „kalten Ende“ führte das Team außerdem Femtosekundenlaser zur mikrostrukturellen Bearbeitung von Aluminium durch und baute einen mikrostrukturierten Kühlkörper (μ-Dissipator), der die Wärmeableitungsfähigkeit des Geräts deutlich verbesserte. Dank der Optimierung der Oberflächenstruktur wurde diese Wärmeableitungsschicht sowohl hinsichtlich der Strahlungs- als auch der Konvektionswärmeableitungsdimensionen verbessert. Seine umfassende Wärmeableitungsleistung ist etwa doppelt so hoch wie die von gewöhnlichen Aluminiumkühlkörpern, sodass das kalte Ende eine niedrigere Temperatur aufrechterhalten kann.
Indem das heiße Ende heißer und das kalte Ende kühler gemacht wird, wird der Temperaturunterschied zwischen den beiden Enden des gesamten thermoelektrischen Solargenerators deutlich erhöht und die Stromerzeugungsleistung deutlich gesteigert. Experimentelle Demonstrationen zeigen, dass das verbesserte STEG ausreicht, um LEDs dazu zu bringen, Licht effizienter auszusenden. Im Vergleich zu früheren Geräten sind Helligkeit und Stabilität der Lichtquelle deutlich verbessert, was die Umsetzbarkeit der Designidee bestätigt.
Guo Chunlei sagte, dass das Potenzial dieser Technologie in praktischen Anwendungen über den Ersatz eines Teils der Photovoltaik-Stromerzeugung hinausgeht. Es wird erwartet, dass es in Zukunft langfristige, wartungsarme Stromversorgungslösungen für drahtlose Sensornetzwerke, tragbare elektronische Geräte und einige medizinische Sensoren bereitstellen wird, die sich insbesondere für Szenarien eignen, die eine kontinuierliche Stromversorgung im Mikrowatt- bis Milliwattbereich erfordern. In dem Papier wurde auch erwähnt, dass solche Systeme voraussichtlich in abgelegenen und ländlichen Gebieten eine Rolle spielen werden und erneuerbare Energieoptionen für Gebiete ohne stabile Stromnetze bereitstellen, ohne auf große Photovoltaikanlagen oder komplexe Energiespeichersysteme angewiesen zu sein.
Dennoch betonte das Forschungsteam auch, dass der Gesamtwirkungsgrad des derzeit verbesserten thermoelektrischen Solargenerators immer noch geringer ist als der herkömmlicher kristalliner Silizium- oder Dünnschichtsolarzellen und ihn kurzfristig nicht ersetzen kann. Diese Forschung zeigt jedoch eine wichtige Richtung auf: Durch die Optimierung der Technik rund um das Wärmemanagement, anstatt blind „Zahnpasta“ auf das Halbleitermaterial selbst zu drücken, kann auch die Effizienz der Solarenergienutzung erheblich verbessert werden und ein neuer Entwicklungspfad für die Solarenergietechnologie eröffnet werden.