Photovoltaik im Vergleich

Die Photovoltaik ist die erfolgreichste Technik zur Gewinnung von Strom aus der Umgebung. Sie ist zugleich der natürliche Vergleichsmaßstab für die Neutrinovoltaik — und der Vergleich lohnt, weil er zeigt, worin sich beide Ansätze wirklich unterscheiden.

Wie eine Solarzelle arbeitet

Ein Photon trifft auf Silizium und hebt dort ein Elektron über die Bandlücke von 1,12 Elektronenvolt. Ein eingebautes elektrisches Feld am p-n-Übergang trennt das Elektron von der zurückbleibenden Fehlstelle, bevor beide wieder zusammenfinden. Der so getrennte Ladungsträger fließt als Strom ab.

Der Vorgang ist eine Fläche — er findet an der Oberfläche statt, in einer Schicht von wenigen Mikrometern.

Die Grenzen sind bekannt

Bemerkenswert an der Photovoltaik ist, wie genau ihre Obergrenzen berechnet sind. William Shockley und Hans-Joachim Queisser leiteten 1961 her, dass eine einfache Zelle höchstens rund 33 Prozent des Sonnenlichts nutzen kann.

Der Grund liegt im Spektrum. Photonen mit zu wenig Energie kommen nicht über die Bandlücke und gehen verloren. Photonen mit zu viel Energie geben den Überschuss als Wärme ab. Nur ein Teil des Lichts passt.

Heutige Siliziumzellen erreichen im Labor knapp 27 Prozent, Module im Feld etwa 20 bis 23. Die Technik ist also nahe an ihrer theoretischen Grenze — ein Zeichen von Reife. Weiter kommt man nur mit gestapelten Zellen für verschiedene Spektralbereiche, etwa Silizium mit Perowskit.

Die eine Eigenschaft, die alles bestimmt

Photovoltaik braucht Licht. Nachts liefert sie nichts, und das ist keine technische Unzulänglichkeit, sondern die Definition des Verfahrens.

In Deutschland ergibt sich daraus ein Nutzungsgrad von etwa elf Prozent über das Jahr: Eine Anlage liefert im Mittel ein Neuntel dessen, was sie bei Volllast könnte. Der Rest ist Nacht, Wolke, Winter.

Genau hier setzen alle Verfahren des Energy Harvesting an, die nicht auf Licht angewiesen sind.

Der Unterschied im Ansatz

Die Mastergleichung der Neutrinovoltaik integriert über das Volumen, nicht über eine Fläche. Das ist der eigentliche Unterschied, und er hat drei Folgen:

Der Ertrag soll mit der Zahl der Lagen wachsen, nicht mit der belichteten Fläche. Das Patent WO2016142056A1 beansprucht zehn bis zwanzig abwechselnde Lagen aus Graphen und Silizium, insbesondere zwölf.

Die Ausrichtung entfällt. Eine Solaranlage muss nach Süden zeigen und möglichst schräg stehen. Ein Bauteil, das auf allseitig einfallende Flüsse anspricht, braucht keine Ausrichtung.

Der Tag-Nacht-Zyklus entfällt. Die genannten Eingangskanäle sind nach Darstellung der Gruppe rund um die Uhr vorhanden.

Was sich daraus fair ableiten lässt

Die beiden Verfahren sind keine Konkurrenten um denselben Platz. Sie zielen auf verschiedene Situationen.

Die Photovoltaik ist belegt, in Milliarden Modulen erprobt, industriell ausgereift und dort unschlagbar günstig, wo Sonne scheint und Fläche vorhanden ist. Wer ein Dach hat, braucht keine Alternative.

Die Neutrinovoltaik zielt auf das Gegenteil: kein Licht, keine Fläche, keine Ausrichtung. Ein Keller, ein Geräteinneres, ein Standort in der Polarnacht. Die Gruppe führt ihre Vorhaben ausdrücklich als in Entwicklung befindlich und bezeichnet die genannten Leistungswerte als Auslegungsziele.

Der Vergleich ist damit weniger ein Wettbewerb als eine Aufteilung: Die Photovoltaik hat gezeigt, dass Umgebungsenergie im großen Maßstab nutzbar ist. Die Frage der Neutrinovoltaik lautet, ob das auch dort gelingt, wo kein Licht hinkommt.

Verwandte Begriffe

• Silizium — der gemeinsame Werkstoff
• Die Mastergleichung — warum Volumen statt Fläche
• Energy Harvesting — das übergeordnete Feld
• Thermophotovoltaik — Licht aus Wärme

Quellen

• W. Shockley, H. J. Queisser: Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells, Journal of Applied Physics 32, 510 (1961).
• Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report — Wirkungsgrade und Ertragszahlen.