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Thermophotovoltaik: Wärme statt Sonnenlicht

Generatoren, die Strahlungswärme von Verbrennungsprozessen mittels Halbleiterzellen in Strom wandeln, könnten effektiver arbeiten als Dieselgeneratoren und herkömmliche Solartechnik ergänzen.


Dank intensiver Forschung ist die Photovoltaik als Verfahren zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität gemeinhin vertraut. Eigenheimbesitzer können entsprechende Anlagen als Bausätze für ihr Dach erhalten, Autofahrer kennen die schwarz wirkenden Halbleiterzellen von Ampelanlagen und Anzeigetafeln, Elektrizitätswerke bieten ihren Kunden "Sonnenstrom" – allerdings zu höheren Kosten als konventionell erzeugten. Denn die Strahlung aus dem sichtbaren Teil des Spektrums gibt es zwar auf der Erde prinzipiell reichlich und gratis, die erforderlichen Investitionen sind aber nach wie vor recht hoch. Zudem erfordert die vergleichsweise häufige Bedeckung des Himmels durch Wolken in Mitteleuropa – sofern eine autarke Energieversorgung oder ein Inselnetz aufgebaut werden soll – eine Kombination der Photovoltaik mit anderen Energiequellen oder -speichern beziehungsweise -sparmaßnahmen.

Kaum bekannt ist, daß geeignete Halbleiter auch bei Infrarotlicht Strom liefern – Elektrizität aus Strahlungswärme also, wie sie bei der Verbrennung etwa von Heizöl, Gas oder Holz entsteht. Ein solcher Generator ließe sich auch bei bewölktem Himmel und sogar nachts betreiben, so daß keine Batterie zur Speicherung erforderlich wäre. Im Vergleich zu konventionellen Stromerzeugern, die fossile Brennstoffe verfeuern, dabei Wasserdampf erzeugen und damit Turbinen antreiben, die wiederum Generatoren in Gang setzen, hätten solche Systeme viele Vorteile: Ohne bewegliche Teile wäre ihr Betrieb leise, zuverlässig und praktisch wartungsfrei; der Anteil an in Elektrizität umgewandelter Brennstoffenergie könnte mehr als 40 Prozent betragen, und es würden weniger Schadstoffe freigesetzt.

Die grundlegenden Ideen der Thermophotovoltaik (TPV) wurden bereits 1956 von Pierre R. Aigrain während einer Vortragsreihe an der École Normale Supé-rieure in Paris vorgestellt. Anfang der sechziger Jahre konzipierten Wissenschaftler der US-Armee in Fort Monmouth (New Jersey) den ersten dokumentierten Prototyp. Seine Ausbeute lag jedoch bei weniger als einem Prozent, für einen im Feld einsetzbaren Generator benötigte man jedoch von 10 bis 15 Prozent.

Ende der siebziger und Anfang der achtziger Jahre gelangen zwar Leistungsverbesserungen, unter anderem am Electric Power Research Institute in Palo Alto (Kalifornien), am Gas Research Institute in Chicago (Illinois) und an der Stanford-Universität (Kalifornien), doch erhebliche Wärmeverluste minderten den Wirkungsgrad. Erst mit Hilfe neuer Werkstoffe wurden in den letzten Jahren wesentliche Fortschritte erreicht.

Ein im Nordwesten der USA ansässiges Unternehmen hat zwar bereits einen Thermophotovoltaik-Generator für Segelboote auf den Markt gebracht, insgesamt steht die Forschung aber nach wie vor am Anfang und beschäftigt sich mit Machbarkeitsstudien und Prototyp-Entwicklung. Eignet sich das Verfahren zur Versorgung abgelegener Ortschaften oder Militäreinheiten im Feld, zum Antrieb von Hybridfahrzeugen, die also mit Elektroantrieb und Verbrennungsmotor ausgerüstet sind? Lassen sich auch andere Energiequellen nutzen als fossile Brennstoffe, etwa nachwachsende Rohstoffe wie Holz (siehe Kasten Seite 90)? Kann man aus der Überschußwärme industrieller Prozesse wirtschaftlich Strom gewinnen, aus der Hitze von Sonnenöfen oder – zum Betrieb von unbemannten Raumsonden – aus Kernspaltungsprozessen?



Ein TPV-System besteht aus vier Grundkomponenten



Im Prinzip klingt das Verfahren einfach: Ein Brenner erzeugt die Hitze; ein Radiator wandelt diese in Strahlung um; ein Filter koppelt daraus einen Wellenlängenbereich heraus und reflektiert den Rest wieder zum Radiator (sofern die Abwärme nicht zum Heizen benötigt wird) und ein Konverter wandelt mittels des Photoeffekts die Wärmestrahlung in Strom (siehe Graphik nächste Seite).

Aus praktischen Gründen verwenden die meisten Systeme derzeit fossile Brennstoffe. Neuere Brennerkonzepte nutzen Metallgitter oder Keramikbrenner, wie sie zum Trocknen von Papier, Tinten, Farben und von Erntegut eingesetzt werden. Auf einer großen Oberfläche erreichen sie die erforderlichen Temperaturen von mindestens 1000 Grad Celsius.

Allerdings wird diese Hitze mit dem Verbrennungsgas konvektiv abgeführt. Halbleiterkonverter wandeln aber nur Wärmestrahlung um, deshalb benötigt man Radiatoren: Sie heizen sich auf und geben ihrerseits Wärmestrahlung mit relativ konstanter Intensität ab; das Spektrum ist dabei begrenzt. Ein solches Element kann als flache oder gewölbte Fläche oder als eine Anordnung winziger Fäden konstruiert werden. Während beispielsweise Siliciumcarbid in einem relativ breiten spektralen Bereich emittiert, strahlen Oxide von Seltenerdmetallen wie Ytterbium, Erbium und Holmium in schmalen Wellenlängenbändern.

Das für den Konverter verwendete Halbleitermaterial sollte diese Strahlung weitgehend umsetzen können; diese spektrale Anpassung bestimmt auch den Gesamtwirkungsgrad. Wie bei der Photovoltaik mit sichtbarem Licht bedeutet das: Die eingestrahlte Energie muß im Kristallgitter gebundene Elektronen freisetzen, sie also vom sogenannten Valenzband in das Leitungsband befördern (siehe Kasten Seite 89). Dazu muß diese Energie aber mindestens der Energiedifferenz zwischen beiden Bändern entsprechen, die Strahlung also eine bestimmte Wellenlänge haben. Andere Anteile des Emissionsspektrums hätten keinen weiteren Effekt, als den Kristall zu erwärmen, die Effizienz der Umwandlung also zu mindern.

Die Grenzfläche zwischen unterschiedlich dotierten Bereichen des Halbleiterkristalls wirkt quasi als Membran, die Elektronen nur in die eine und Löcher (freie Elektronenplätze, die bei der Absorption von Photonen entstehen) nur in die andere Richtung hindurch läßt. Durch diese Trennung der Ladungsträger sammelt sich bei Strahlungseinfall auf der einen Seite positive, auf der anderen negative Ladung an, und Strom kann über einen Leiter nach außen fließen (siehe Graphik oben). Einzelne Zellen erzeugen nur etwa ein halbes Volt, für technische Anwendungen werden darum bis zu 2000 und mehr in Serie geschaltet.

Zunächst kombinierte man Radiatoren mit schmalem Emissionspektrum etwa aus Ytterbiumoxid mit Siliciumhalbleiterkonvertern (Bandlückenenergie 1,14 Elektronenvolt). Theoretisch sollte die von solchen selektiven Strahlern emittierte Energie weitgehend für den Photoeffekt genutzt werden und nur wenig als Abwärme verlorengehen. Doch gelang es damals nicht, die Radiatoren in ausreichender Qualität herzustellen, und der nicht genutzte Strahlungsanteil war zu hoch (siehe Graphik gegenüberliegende Seite).

Auch die bei dieser Materialkombination erforderlichen Temperaturen von 2000 Grad Celsius sind problematisch. Die Werkstoffe hielten dem nicht lange genug stand. Zudem entstehen oberhalb von etwa 1200 Grad Celsius umweltschädigende Stickoxide.

Fortschritte in jüngerer Zeit beruhen auf der Kombination recht breitbandig ausstrahlender Radiatoren etwa aus Siliciumcarbid für Temperaturen von rund 1500 Grad Celsius mit geeigneten Halbleitermaterialien: Galliumantimonid und Indium-Gallium-Arsenid, die für die Solarenergieindustrie aus den Gruppen III und V des Periodensystems entwickelt wurden, können mit einer Bandlückenenergie von 0,5 bis 0,7 Elektronenvolt deren Wellenlängen bereits gut nutzen. Der Vorteil breitbandiger Strahler ist ihre höhere Strahlungsintensität im Vergleich zu selektiven Emittern.

Photonen, deren Energie geringer ist als die Bandlücke des Konverters, erzeugen freilich unabhängig vom verwendeten Material stets Abwärme. Dieser Verlust läßt sich verringern, indem man diesen Strahlungsanteil wieder dem Radiator zuführt, ihn also zum Heizen verwendet. So läßt ein Gitter mikroskopisch kleiner Metallantennen, die aus einer dünnen Metallschicht auf einer Konverterzelle bestehen können, Photonen mit den gewünschten Infrarotwellenlängen zum Konverter passieren und reflektiert die übrigen. Viele Konzepte scheiterten, sei es, daß sie einen zu schmalen Wellenlängenbereich erfassen, sei es aufgrund zu hoher Kosten. Der wohl vielversprechendste Ansatz ist der Rückseitenreflektor. Die nicht absorbierten Photonen durchdringen den Konverter, bis sie auf seiner Rückseite an einer hochspiegelnden Goldbeschichtung zurückgeworfen werden.



Praktische Erfahrungen in den USA



Seit 1994 treffen sich internationale Wissenschaftler alljährlich auf einer Fachkonferenz, die vom Nationalen Laboratorium für erneuerbare Energien (National Renewable Energy Laboratory, NREL) des US-Energieministeriums unterstützt wird. Sowohl die US-Einrichtung für Forschungsvorhaben im Verteidigungswesen (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) als auch das genannte Ministerium und eine der Forschungseinrichtungen der US-Armee förderten Programme zur Entwicklung der Thermophotovoltaik. In Europa gibt es einige Machbarkeitsstudien, doch behindert mangelnde finanzielle Unterstützung die weitere Forschung.

Noch gibt es vor allem Labormodelle, etwa von einem effektiven Radiator, der bei 1500 Grad Celsius arbeitet. Möglicherweise läßt er sich mit Halbleiterzellen mit einer Grenzschicht kombinieren (der sogenannte p-n-Übergang, an dem sich die elektrische Spannung aufbaut; siehe Kasten), um Leistungsdichten von drei bis vier Watt pro Quadratzentimeter Konverterfläche zu erzielen.

Konverter mit mehreren Grenzschichten aus Halbleitermaterialien verschiedener Bandlücken – ein Ansatz aus der Solarphotovoltaik – könnten ein größeres Wellenlängenspektrum erfassen und so breitbandig strahlende Radiatoren besser nutzen (siehe Graphik Seite 91). Jede einzelne Grenzschicht erzeugt bei der Absorption von Photonen verschiedener Energien einen elektrischen Strom, dabei liegt die Materialpaarung mit der größten Bandlücke quasi als Fenster ganz vorne. Computersimulationen zufolge sollten fünf bis sechs Watt pro Quadratzentimeter theoretisch möglich sein. (Zum Vergleich: Eine typische Siliciumsolarzelle liefert bei guter Einstrahlung etwa 15 Milliwatt je Quadratzentimeter.) Prototypen erreichten bereits Leistungdichten von mehr als einem Watt pro Quadratzentimeter.

Mit traditionellen Verfahren der Halbleiterfertigung können mehrere Zellen kostengünstig auf einem einzigen Silicium-Einkristall (Wafer) gefertigt und bereits miteinander verdrahtet werden. Gelänge es, auf diese Weise einen Konverter kompakt aus einem einzigen Wafer zu fertigen, ließe sich das Gesamtsystem soweit verkleinern, daß man damit eine Wasserpumpe oder eine Hütte im Wald mit Strom versorgen könnte. Um höheren Leistungsanforderungen zu genügen, ließen sich mehrere solcher Konverter zusammenschalten.

Scott Ward und Mark Wanlass vom NREL haben ein geeignetes Zellendesign entwickelt, das auch ein neues Konzept für die Rückführung ungenutzter Photonen umfaßt. Wärmeverluste entstehen nämlich, weil Ladungselektronen Photonen beliebiger Energie absorbieren können, wobei sich der Kristall erwärmt. Die elektrisch aktiven Bereiche der Halbleiterzellen werden deshalb auf einem halbisolierenden Indium-Phosphid-Substrat aufgebracht, das kaum ungebundene Elektronen enthält – niederenergetische Photonen können ohne Absorption hindurchwandern und werden dann von einer Goldoberfläche zum Radiator zurückreflektiert.

Schon bald wird das erste TPV-System auf den Markt kommen: "Midnight Sun" von JX Crystals in Issaquah (US-Bundesstaat Washington) soll 30 Watt elektrische Leistung liefern. Es wurde vor allem für den Einsatz auf Segelbooten entwickelt, wo es anstelle herkömmlicher Dieselgeneratoren Batterien für Navigations- und andere Instrumente aufladen, aber auch durch Nutzen der Abwärme für die Heizung der Kajüte dienen soll. Das mit Propangas betriebene Heizgerät ist zylinderförmig, 14 Zentimeter breit und 43 hoch. Der Radiator besteht aus nur schwach selektivem Magnesiumaluminat, die in Reihe geschalteten Photozellen aus Galliumantimonid. Aufgrund der korrosiven Umgebung muß das Gehäuse aus Edelstahl und Messing gefertigt werden. "Midnight Sun" kostet deshalb 3000 Dollar; das Gerät läuft jedoch geräuscharm und ist – da ohne mechanische Teile – vermutlich zuverlässiger als ein konventioneller, preisgünstigerer Generator. Für Landanwendungen ließe sich ein billigeres Material wählen, der Preis also vermutlich senken.

Trotz der beschriebenen Nachteile selektiver Radiatoren werden auch sie weiterhin untersucht. So arbeitet das Unternehmen Thermo Power in Waltham (Massachusetts) mit finanzieller Unterstützung durch das DARPA an einem gasbetriebenen Generator insbesondere für militärische Kommunikationseinrichtungen oder Laptop-Computer. Die 150- und 300-Watt-Module verwenden Arrays von Ytterbiumoxid-Fasern als Radiatoren, die bei einer Wellenlänge von 980 Nanometern abstrahlen. Sie werden mit Siliciumphotokonvertern gekoppelt; ein Mehrschichtenfilter führt ungenutzte Energie zurück.

Sofern diese technischen Entwicklungen entsprechende Förderung erfahren, dürften sich interessante Praxisanwendungen erschließen. Vielversprechend ist etwa der Einsatz in Hybridelektroautos. Beim Prototyp der Western-Washington-Universität liefert ein 10-Kilowatt-TPV-Generator einen Teil der Leistung eines batteriebetriebenen Elektroautos. Eine neuere, vom NREL beauftragte Studie prognostiziert der Thermophotovoltaik ein Marktvolumen von etwa 750 Millionen Mark bis zum Jahre 2005, insbesondere aus dem Ersatz von Dieselmotoren mit einer Leistung von unter zwei Kilowatt für militärische Zwecke, Wohnmobile und Boote.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1999, Seite 86
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 1999

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 1999

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