Thermophotovoltaik: Eine Solarzelle, die auf etwas Heißes zielt
Die Idee klingt fast zu einfach. Etwas erhitzen, bis es glüht, eine Photovoltaikzelle auf das Glühen richten, Strom abnehmen. Keine bewegten Teile, kein Arbeitsmedium, keine Turbine. Jahrzehntelang war der Wirkungsgrad zu schlecht, um interessant zu sein - und in den letzten Jahren war er es nicht mehr: Laborzellen überschritten 40 Prozent, womit ein Gerät ohne bewegte Teile in den Bereich industrieller Turbomaschinen rückt. Warum das heute funktioniert und warum es trotzdem etwas Heißes braucht, lohnt beides das Verständnis.
Worin sie sich von einer Solarzelle unterscheidet
Eine herkömmliche Solarzelle ist auf das Sonnenspektrum optimiert, dessen Maximum im sichtbaren Licht liegt. Eine thermophotovoltaische Zelle blickt auf einen Strahler bei ein- bis zweieinhalbtausend Kelvin, der überwiegend im Infraroten abstrahlt - ihr Halbleiter wird deshalb mit einer viel kleineren Bandlücke gewählt, typischerweise zwischen einem halben und drei viertel Elektronenvolt, gegenüber rund 1,1 bei Silizium.
Die Absorptionsphysik ist derselbe photoelektrische Vorgang: Ein Photon mit mehr Energie als die Bandlücke hebt ein Elektron darüber, und der Übergang trennt die entstehenden Ladungen. Was sich ändert, ist die Abstimmung zwischen Quellspektrum und Absorber.
Einen baulichen Vorteil kann eine Solarzelle nicht haben. Der Strahler ist wenige Millimeter entfernt und gehört zum System, Photonen, die die Zelle nicht nutzen kann, müssen also nicht verloren gehen. Ein Spiegel hinter der Zelle wirft diese niederenergetischen Photonen direkt in den Strahler zurück, wo sie wieder absorbiert werden und ihn heiß halten.
Dieses Photonen-Recycling ist der Fortschritt, der das Feld verändert hat. Photonen unterhalb der Bandlücke sind in jedem TPV-Gerät der dominierende Verlustkanal, und sie zur Quelle zurückzugeben, statt sie in Abwärme zu verwandeln, hat die Wirkungsgrade von den Zwanzigern in die Vierziger gehoben.
Wofür sie taugt
Am meisten diskutiert wird thermische Energiespeicherung für das Netz. Überschussstrom erhitzt ein billiges Medium wie Graphit oder flüssiges Silizium auf sehr hohe Temperatur; wird Leistung gebraucht, wandeln TPV-Zellen die gespeicherte Wärme zurück in Strom. Der Reiz liegt darin, dass das Speichermedium günstig ist und der Wandler keine bewegten Teile hat, also in Größenordnungen baubar ist, in denen mechanische Turbinen unpraktisch sind.
Abwärmenutzung ist ein zweites Feld, aber ein schwierigeres: Industrieabgase sind meist weit kühler als die optimale Strahlertemperatur, und der TPV-Wirkungsgrad fällt steil, wenn der Strahler abkühlt.
Tragbare und netzferne Stromversorgung ist ein drittes. Ein brennstoffbetriebener TPV-Generator ist leise, hat keine bewegten Teile und braucht keine Wartung - das zählt dort, wo ein kleiner Motor nicht in Frage kommt.
In der Raumfahrt wurde TPV als Ersatz für die thermoelektrische Wandlung in Radioisotopengeneratoren erwogen, wo der höhere Wirkungsgrad mehr Leistung aus derselben Isotopmenge bedeutete - ein direkter Vergleich mit dem thermischen Ansatz, den unsere Seite zur Betavoltaik behandelt, die den Wärmeschritt in weit kleineren Größenordnungen ganz überspringt.
Die Grenze, die sie nicht überschreiten kann
TPV ist eine Wärmekraftmaschine. Sie entnimmt Wärme aus einem heißen Reservoir, wandelt einen Teil in Arbeit und gibt den Rest an ein kaltes ab - an die Zelle selbst, die kühl gehalten werden muss. Ihr Wirkungsgrad ist damit durch die Carnot-Grenze aus beiden Temperaturen begrenzt, und keine technische Verbesserung reicht darüber hinaus.
Das zählt, weil Wärmestrahlung mitunter lose als Umgebungsenergiequelle beschrieben wird, als ließe sich eine Zelle einfach in einen Raum richten und Strom entnehmen. Das geht nicht. Eine Zelle bei Raumtemperatur, die einen Raum derselben Temperatur sieht, absorbiert und emittiert Strahlung mit gleicher Rate, und die Nettoarbeit ist exakt null.
Das ist keine Beschränkung der heutigen Technik, sondern der zweite Hauptsatz - und unsere Seite zur freien Energie legt dar, warum ein Körper im Gleichgewicht mit seiner Umgebung keine Arbeit liefert, gleich wie viel Strahlung ihn durchquert. TPV funktioniert gerade deshalb, weil zuvor jemand den Strahler geheizt hat.
Die Unterscheidung ist es wert, festgehalten zu werden, denn sie trennt zwei ähnlich klingende Behauptungen. Strahlung einer heißen Quelle zu wandeln ist etablierte Technik mit Wirkungsgradrekorden in begutachteter Fachliteratur. Arbeit aus Gleichgewichtsstrahlung zu gewinnen ist nicht die schwierigere Fassung desselben Problems, sondern eine andere Behauptung - und sie ist ausgeschlossen. Die Neutrinovoltaik-Forschung ist an genau diesem Punkt sorgfältig: Ihre Frage betrifft thermische Fluktuationen und Umgebungsstrahlung, die in einem konstruierten Material Strom treiben, und jede ehrliche Fassung davon muss dieselbe Grenze achten.
Häufige Fragen
Wie unterscheidet sich eine TPV-Zelle von einem Solarmodul?
Sie nutzt einen Halbleiter mit viel kleinerer Bandlücke, abgestimmt auf Infrarotstrahlung eines Strahlers bei ein- bis zweieinhalbtausend Kelvin statt auf das sichtbare Sonnenspektrum. Zudem sitzt sie dicht an ihrem Strahler, sodass unbrauchbare Photonen zurückgeworfen werden können.
Wie wirksam ist sie?
Laborgeräte übersteigen inzwischen 40 Prozent, vergleichbar mit Dampfturbinen oder besser. Die Verbesserung kam vor allem daher, Photonen unterhalb der Bandlücke in den Strahler zurückzuwerfen, statt sie zu verlieren.
Wofür wird sie eingesetzt?
Am meisten diskutiert wird thermische Netzspeicherung, daneben Abwärmenutzung, tragbare Stromversorgung ohne bewegte Teile und möglicherweise als Ersatz für thermoelektrische Wandlung in Raumfahrtsystemen.
Braucht sie etwas Heißes?
Ja, zwingend. TPV ist eine Wärmekraftmaschine und braucht ein Temperaturgefälle zwischen Strahler und Zelle. Ihr Wirkungsgrad ist durch die Carnot-Grenze aus diesen beiden Temperaturen begrenzt.
Kann sie Umgebungswärmestrahlung ernten?
Nein. Eine Zelle bei Raumtemperatur gegenüber einer Umgebung derselben Temperatur absorbiert und emittiert mit gleicher Rate, für exakt null Nettoarbeit. Das ist der zweite Hauptsatz und keine Beschränkung heutiger Technik.
