Eine Thermophotovoltaikzelle (TPV), montiert auf einem Kühlkörper. (Glücklicher Frankel) Wissenschaftler sind zuversichtlich, dass Festkörper-Thermophotovoltaikzellen (TPV) ohne bewegliche Teile bei höheren Temperaturen höhere Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Wärme in Strom erzielen können – und den Weg zu Stromnetzen ebnen, die vollständig auf erneuerbaren Energien basieren.
Eine solche TPV-Zelle hat nun mit einem Wirkungsgrad von 40 Prozent einen neuen Weltrekord aufgestellt, berichten Forscher. Das ist besser als die Dampfturbinen, die traditionell zur Umwandlung von Wärme in Elektrizität verwendet werden, deren maximale Leistung typischerweise bei 35 Prozent liegt und die auch Obertemperaturgrenzen haben.
TPVs wandeln hochenergetische Photonen aus weißglühenden Wärmequellen in Elektrizität um. In Kombination mit thermischen Batterien könnten sie Sonnenenergie einfangen, speichern und bei Bedarf Strom abgeben.
„Einer der Vorteile von Festkörper-Energiewandlern besteht darin, dass sie bei höheren Temperaturen und geringeren Wartungskosten betrieben werden können, da sie keine beweglichen Teile haben“, sagt Maschinenbauingenieur Asegun Henry , vom Massachusetts Institute of Technology (MIT).
„Sie sitzen einfach da und erzeugen zuverlässig Strom.“
Die an der rekordverdächtigen Umwandlung beteiligte Thermophotovoltaikzelle kann aus Wärmequellen bei Temperaturen von 1.900 bis 2.400 Grad Celsius (3.452 bis 4.352 Grad Fahrenheit) Strom erzeugen. Aufgrund der beweglichen Teile sind diese Temperaturen für den Betrieb herkömmlicher Dampfturbinen viel zu hoch.
Jetzt steigt auch die Effizienz dieser Zellen, wodurch sie lebensfähiger werden. Der bisherige Rekord lag bei einem Wirkungsgrad von 32 Prozent, während die meisten bisher hergestellten TPV-Zellen bei einem Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent lagen.
Der Effizienzrekord wurde mithilfe eines Wärmeflusssensors gemessen, der die von der etwa einen Zentimeter im Quadrat großen Zelle aufgenommene Wärme misst. Um die Wärmemenge, der die Zelle ausgesetzt war, zu variieren, wurde eine Hochtemperaturlampe verwendet, was zeigte, dass sie tatsächlich für den Einbau in ein größeres System geeignet war.
„Wir können einen hohen Wirkungsgrad über einen breiten Temperaturbereich erzielen, der für thermische Batterien relevant ist“, sagt Henry .
Die Effizienzsteigerung ist vor allem auf die verwendeten Materialien zurückzuführen, die einen sogenannten Tiefgang aufweisen Bandabstand – eine Lücke, die Elektronen überwinden müssen, damit Strom erzeugt werden kann. Hier haben die Forscher Materialien mit größerer Bandlücke sowie mehrere Übergänge (oder Materialschichten) verwendet.
Es werden drei Schichten verwendet: eine Legierung mit hoher Bandlücke, um hochenergetische Photonen einzufangen und sie in Elektrizität umzuwandeln, eine Legierung mit niedriger Bandlücke, um niederenergetische Photonen einzufangen, die durch die erste Schicht schlüpfen, und ein Goldspiegel, um Photonen zu reflektieren, die die gesamte Schicht passiert haben zurück zur Wärmequelle und minimiert so die Wärmeverschwendung.
Da sich die TPV-Zelle nun als betriebsbereit, zuverlässig und effizient erwiesen hat, können Wissenschaftler mit der Arbeit beginnen, sie zu vergrößern und mit anderen Elementen zu kombinieren, um ein vollständiges Energieerzeugungssystem zu bilden – und zwar eines, das dabei keinen Kohlenstoff produziert in Benutzung.
„Thermophotovoltaische Zellen waren der letzte wichtige Schritt, um zu zeigen, dass thermische Batterien ein realisierbares Konzept sind“, sagt Henry . „Dies ist ein absolut entscheidender Schritt auf dem Weg zur Verbreitung erneuerbarer Energien und zu einem vollständig dekarbonisierten Netz.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .