Solargeneratoren galten bislang als wenig effizient. Forschern gelang es nun jedoch, die Leistung der Technologie um das 15-Fache zu steigern. Ein schwarzes Metall ermöglicht es, Strom aus Licht und Wärme zu generieren.
Klassische Solarmodule wandeln Sonnenlicht in Strom um. Doch sie funktionieren nur mit direktem Sonnenlicht und sind nicht besonders effizient, wenn es um die Nutzung von Wärme geht. Forscher der University of Rochester haben jedoch ein Gerät entwickelt, das die Energieausbeute um das 15-Fache steigern soll.
Der Hintergrund: Im Gegensatz zu Solarzellen, die auf den sogenannten photovoltaischen Effekt setzen, wandeln solarthermoelektrische Generatoren (STEG) einen Temperaturunterschied in Elektrizität um. Sie bestehen aus einer heißen und einer kalten Seite, die durch Halbleiter getrennt sind.
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Die Sonne erhitzt eine Seite und erzeugt Temperaturunterschiede. Über den sogenannten Seebeck-Effekt entsteht wiederum Strom. Bisher war die Technologie allerdings nicht besonders effizient. Die besten Modelle schafften es gerade mal, weniger als ein Prozent der Sonnenenergie in Strom umzuwandeln.
Schwarzes Metall: Das Geheimnis der neuen Solargeneratoren
Die Forscher haben sich des Problems angenommen und es mit einem dreifachen Ansatz gelöst. Sie verwandelten ein gewöhnliches Stück Wolfram in ein „selektives“ Absorbermaterial. Mithilfe eines ultraschnellen Lasers, eines sogenannten Femtosekundenlasers, bearbeiteten sie die Oberfläche des Metalls so, dass es fast wie eine Mikrostruktur aussieht.
Das Ergebnis war ein „schwarzes Metall“, das über 80 Prozent der Sonneneinstrahlung absorbiert, aber gleichzeitig die Wärmeabstrahlung minimiert. Das ist so, als würde es die Sonnenstrahlen einsaugen, aber die Hitze nicht wieder abgeben. Dieser Prozess erhöht die Temperatur auf der heißen Seite stark.
Anschließend bauten die Forscher eine Art Mini-Gewächshaus über dem schwarzen Metall. Eine einfache Plastikabdeckung reichte aus, um den Wärmeverlust durch Konvektion, also die Wärmeabgabe an die Luft, um mehr als 40 Prozent zu reduzieren. So blieb die Wärme genau dort, wo sie benötigt wurde.
Mehr als nur Strom: Ein großer Schritt für die Energie-Forschung?
In einem dritten Schritt haben die Wissenschaftler zudem die kalte Seite des STEG optimiert. Mit dem gleichen Laser-Verfahren wie zuvor bearbeiteten sie eine Aluminiumoberfläche, sodass sie die Wärme besonders gut ableiten konnte. Das verdoppelte die Kühlleistung und maximierte den Temperaturunterschied zwischen beiden Seiten.
Das Ergebnis dieser drei Optimierungen ist ein STEG-Generator, der 15-mal mehr Strom erzeugt als die bislang effizientesten Geräte. Die Technologie könnte damit von einer Nischenanwendung zu einer echten Alternative werden.
Denn Solargeneratoren sind nicht nur in der Lage, LEDs zu betreiben, sondern können auch als Stromquelle für kabellose Sensoren im Internet der Dinge oder als Energiequelle für tragbare Geräte dienen. Theoretisch lassen sie sich sogar in abgelegenen Gebieten einsetzen, wo es keinen Zugang zum Stromnetz gibt.
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