Hybrid-Technologie : Neue Solarzelle verwandelt auch Wärme in Strom

Solarzellen, die auch Wärme oder Infrarotstrahlen in Energie umwandeln, werden künftig die Wirkungsgrade signifikant erhöhen.

MIT-Forscher David Bierman will mit einer Solarzelle die Effizienz deutlich anheben. (Photo courtesy of the researchers.)

Foto: WirtschaftsWoche

Ein Wirkungsgrad größer als 32 Prozent ist unmöglich. Das war für Solarzellen lange unumstößlich - der sichtbare Anteil am Licht gibt nicht mehr her. Der deutsche Festkörperphysiker Hans-Joachim Queisser und sein US-Kollege William B. Shockley, einer der Entwickler des Transistors, hatten das schon 1961 wissenschaftlich nachgewiesen, seitdem gilt das Shockley-Queisser-Limit.

Allerdings - wie beschrieben - nur für sichtbares Licht. Schon länger mutmaßen Wissenschaftler, dass auch andere Strahlen den Wirkungsgrad deutlich anheben können. Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg entwickelten deshalb eine Zelle, die sichtbares Licht direkt in Strom umwandelt. Wärmestrahlen setzt ein in die Zelle integrierter Hochkonverter ebenfalls in Licht um, das zusätzlichen Strom erzeugt. So lässt sich rein rechnerisch der Wirkungsgrad um zehn Prozentpunkte steigern.

Einen ganz anderen Weg gingen nun Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge. Sie entwickelten eine Zelle, die die Wärmestrahlen der Sonne einfängt. Das gelingt in einem so genannten nanophotonischen Kristall, der mit Nanoröhrchen aus Kohlenstoff angereichert ist. Die übrigen Bestandteile des Kristalls behalten die Forscher für sich.

Parallel dazu wandelt er die Wärmeenergie in Licht um, das genau die Wellenlänge hat, für die die Solarzelle optimiert ist. Klassische Solarzellen können nur einen kleinen Teil des einfallenden Sonnenlichts verarbeiten. Um mehrere Frequenzbänder abzudecken und so den Wirkungsgrad zu steigern sind Solarzellen entwickelt worden, die mehrlagig sind. Jede wandelt ein bestimmtes Frequenzspektrum in elektrische Energie um.

Energie aus infraroter Strahlung

Aber längst nicht alle, im Gegensatz zu der MIT-Zelle. Diese deckt das gesamte Spektrum ab, einschließlich der infraroten Strahlung. "Die Nanoröhrchen sind perfekte Absorber für das gesamte Spektrum des Lichts", sagt David Bierman, PhD-Student und Mitglied des Entwicklerteams um die Professoren Evelyn Wang und Marin Soljačić.

Der Prototyp der thermischen Solarzelle hat einen Wirkungsgrad von gerade mal 6,8 Prozent, weil die Forscher es zunächst mit einer ganz einfachen Licht absorbierenden Zelle ausprobiert haben. Die Einbeziehung der Wärmestrahlen erhöhte die Stromproduktion allerdings signifikant.

"Wir haben als erste bewiesen, dass unsere Kombination auf nanophotonischem Kristall und einer herkömmlichen Solarzelle den Wirkungsgrad verbessert", sagt Wang. Damit könne das Shockley-Queisser-Limit aufgehoben werden.