Effektivere Solarzellen 24.09.2015, 12:47 Uhr

Transparente Beschichtung entsorgt Hitze ins Weltall

Gerade im Sommer büßen Solarzellen einen Teil ihrer Effizienz ein, weil heiße Solarzellen die Lichtphotonen schlechter in Elektrizität wandeln können. Forscher der Stanford Universität haben nun eine transparente Deckschicht zur Kühlung von Solarzellen entwickelt. Diese erhöhen die Effizienz der Solarzellen selbst bei vollem Sonnenlicht.

Mann prüft Solarzellen

Na, das wurde aber auch Zeit: Gängige Silizium-Solarzellen haben es nicht gerne heiß. Sie werden dann träge und liefern weniger Energie. US-Forscher haben jetzt eine transparente Deckschicht zur Kühlung der Solarzellen entwickelt. Damit viel Sonne im Sommer auch viel Energie bringt. 

Foto: Patrick Pleul/dpa

Es ist schon eine Crux mit der Physik bei Halbleitern: Die Ladungsträger befinden sich in sogenannten Energiebändern. Die Energiedifferenz, auch Bandabstand genannt, wird bei zunehmender Wärme immer geringer. In der Folge sinkt auch die Energieernte, die gängige Silizium-Solarzellen liefern können, wenn sie heiß werden. Das ist insbesondere in den Sommermonaten ein echtes Ärgernis, weil gerade in der heißen Jahreszeit die meiste Energieernte aus dem Licht der Sonne zu erwarten ist.

Filterschicht für Infrarotstrahlung

Da liegt es nahe, eine Art von Filter zu entwickeln, der nur den kalten, aber energiereichen Anteil des Sonnenlichts auf die Solarzelle prallen lässt. Genau so eine transparente Deckschicht für Solarzellen haben Wissenschaftler der Stanford Universität nun entwickelt. „Solar-Paneele müssen auf die Sonne ausgerichtet sein, um zu funktionieren, auch wenn die entsprechende Hitze der Effizienz schadet“, erklärt Studienleiter Shanhui Fan, Professor für Elektrotechnik an der Stanford-Universität, die ihren Sitz im US-amerikanischen Bundesstaat Kalifornien hat. „Unser System ermöglicht die Passage von Sonnenlicht und erhält damit die Absorption. Gleichzeitig kühlt es aber auch durch Abstrahlen der Wärme und verbessert somit den Wirkungsgrad der Solarzelle.“

Dünnes kristallines Silizium-Material

Das System basiert auf einem dünnen kristallinen Silizium-Material, das eine spezielle Struktur aus feinen Löchern besitzt. Dieses transparente Material lässt sichtbares Licht passieren, strahlt aber gleichzeitig die thermische Energie ins Weltall ab. Das funktioniert ganz ähnlich wie wir alle es aus dem Alltag kennen: Ein heißer Menschenkopf strahlt unter freiem Himmel Energie in Form von Wärmestrahlung ins Weltall ab.

Temperaturabsenkung um 13 °C

Als Strahlungskühlung bezeichnen die Wissenschaftler um Shanhui Fan den Effekt ihres thermischen Überzugs aus dünnen Siliziumoxid. Mit diesem Überzug konnten sie die Temperatur der darunter liegenden Solarzelle im Vergleich zu einer baugleichen ungeschützten Solarzelle um bis zu 13 °C senken.

Der Grund für diese Abkühlung war die abgestrahlte Energie des Sonnenlichts im Wellenlängenbereich von acht bis 13 Mikrometern. Weil in diesem Wellenlängenbereich die Atmosphäre gegenüber Infrarotenergie durchlässig ist, kann diese Strahlung ins Weltall entweichen.

Effizienzsteigerung von über einem Prozent möglich

Für eine typische kristalline Solarzelle kann diese Temperaturabsenkung um 13 °C eine Effizienzsteigerung von über einem Prozent bedeuten. Bei den Wirkungsgraden der heutigen Solarzellen von etwa 20 % ist das eine wirtschaftlich relevante Größe. Die Fan-Gruppe, wie sie sich selber nennt, ist ziemlich optimistisch, dass sich ihr thermischer Überzug auch im Großformat produzieren lässt. Sie wollen nun die Nanodruck-Lithografie zur Produktion der Siliziumdioxid-Materialien skalierbar machen.

Volle visuelle Transparenz trotz Kühleffekt

Denn effizientere Solarzellen sind nur eine denkbare Anwendung der transparenten Haut. Die Forscher sehen ihren Überzug überall dort im Einsatz, wo visuelle Transparenz bei gleichzeitigem Kühleffekt wichtig ist, wie Doktorand und Co-Autor Aaswath Raman Linxiao Zhu erläutert: „Beispielsweise ein leuchtend rotes Auto: Neben dieser schönen Farbe erscheint auch ein Kühleffekt wünschenswert. Es gibt zwar kühlende Beschichtungen, aber wenn sie nicht völlig transparent sind, wird es mit der Farbe problematisch.“

Auch hier ist mal wieder Physik im Spiel: Für die Wahrnehmung einer Farbe, muss das Objekt sichtbares Licht reflektieren können, sonst erscheint es rabenschwarz. „Unsere fotonische Kristall-Beschichtung kann Wärme abstrahlen ohne die Farbe zu beeinträchtigen“, betont der Wissenschaftler.

 

  • Detlef Stoller

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