Thermophotovoltaik

Die Thermophotovoltaik (TPV) nimmt einen Umweg, der sich lohnt: Statt Wärme unmittelbar in Strom zu wandeln, lässt sie die Wärme zunächst leuchten und fängt das Licht dann mit einer Halbleiterzelle ein.

Der Aufbau

Zwei Teile genügen. Ein Emitter wird auf hohe Temperatur gebracht und strahlt dabei — wie jeder heiße Körper — elektromagnetische Wellen ab. Eine gegenüberliegende Photovoltaikzelle wandelt diese Strahlung in Strom.

Anders als bei einer Solarzelle liegt das Maximum der Strahlung nicht im Sichtbaren, sondern im nahen Infrarot. Bei 2.000 Kelvin liegt es bei etwa 1,5 Mikrometern.

Warum der Umweg sinnvoll ist

Die Thermoelektrik wandelt Wärme unmittelbar in Spannung um, braucht dafür aber ein Temperaturgefälle und kommt selten über acht Prozent Wirkungsgrad hinaus. Der Grund ist ein Zielkonflikt im Material: Man braucht etwas, das Strom gut und Wärme schlecht leitet, und in den meisten Stoffen gehen beide Leitfähigkeiten Hand in Hand.

Die Thermophotovoltaik hat diesen Konflikt nicht. Ihre Grenze ist nicht die Werkstoffkunde, sondern die Physik der Strahlung — und die liegt deutlich höher.

Die zwei entscheidenden Kunstgriffe

Angepasste Bandlücke. Die Zelle wird auf das Spektrum des Emitters zugeschnitten. Für den infraroten Bereich eignen sich Halbleiter wie Galliumarsenid, Indiumgalliumarsenid oder Indiumgalliumarsenidantimonid — nicht Silizium, dessen Bandlücke von 1,12 Elektronenvolt für diese Wellenlängen zu groß ist.

Moderne Aufbauten stapeln zwei Zellen mit verschiedenen Bandlücken übereinander, sodass jede den für sie passenden Teil des Spektrums nutzt.

Rückgewinnung. Photonen, deren Energie unter der Bandlücke liegt, könnten nichts ausrichten und wären verloren. Statt sie zu verschwenden, wird hinter der Zelle ein Spiegel angebracht, der sie zum Emitter zurückwirft. Dort heizen sie mit.

Dieser Griff ist der Grund für die Sprünge der letzten Jahre. Er verwandelt einen Verlust in einen Kreislauf: Was die Zelle nicht nutzen kann, geht nicht verloren, sondern in die Heizung zurück.

Der Stand der Technik

2022 berichtete eine Arbeitsgruppe des MIT und des National Renewable Energy Laboratory in Nature über eine Tandemzelle mit einem Wirkungsgrad von rund 40 Prozent bei Emittertemperaturen zwischen 1.900 und 2.400 Grad Celsius.

Das ist eine bemerkenswerte Zahl. Sie liegt über dem Wirkungsgrad einer Dampfturbine in einem gewöhnlichen Kraftwerk — und das in einer Anordnung ohne ein einziges bewegliches Teil, ohne Wasser, ohne Wartung.

Die Anwendung, an die gedacht wird

Der naheliegende Einsatz ist die Speicherung von Strom als Wärme.

Überschüssiger Wind- und Sonnenstrom heizt ein Speichermedium — etwa geschmolzenes Silizium oder Graphitblöcke — auf über 2.000 Grad. Wird der Strom später gebraucht, geben TPV-Zellen ihn wieder ab.

Der Reiz liegt in den Kosten. Ein Wärmespeicher besteht aus billigen, reichlich vorhandenen Materialien und altert kaum, während Batterien teuer sind und an Kapazität verlieren. Man hätte eine Batterie ohne Chemie.

Abgrenzung zur Neutrinovoltaik

Der Unterschied ist der Ausgangspunkt. Die Thermophotovoltaik braucht eine heiße Quelle, und diese Wärme muss von irgendwoher kommen — aus Verbrennung, aus konzentriertem Sonnenlicht, aus einem Speicher. Ohne heißen Emitter keine Strahlung und kein Strom.

Die Neutrinovoltaik setzt dort an, wo keine solche Quelle bereitsteht. Ihr Anspruch richtet sich auf Flüsse, die überall und ständig vorhanden sind, und damit auf Anwendungen im Dunkeln, im Inneren, unter Tage.

Für die Photovoltaik im Vergleich gilt Ähnliches: Sie braucht Licht von außen; die Thermophotovoltaik erzeugt sich ihr Licht selbst.

Was daraus zu lernen ist

Die Thermophotovoltaik zeigt zweierlei, das auch für andere Ansätze gilt.

Erstens: Der scheinbare Umweg kann der kürzere Weg sein. Wärme über Strahlung in Strom zu wandeln ist umständlicher als der direkte Weg — und liefert das Fünffache.

Zweitens: Der Fortschritt kam nicht aus einer neuen Grundidee, sondern aus sorgfältiger Materialarbeit an Bandlücke und Spiegel. Genau darin liegt auch die Aufgabe, die sich die Neutrinovoltaik mit ihren vielschichtigen Graphen-Silizium-Stapeln gestellt hat.

Quellen

A. LaPotin u. a.: Thermophotovoltaic efficiency of 40 %, Nature 604, 287–291 (2022).