Modifizierte Solarzelle produziert nachts Strom

Mar 30, 2023

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Gepostet am 8. Juni 2023, 26. Mai 2023 von Melisa Yashinski

Sonnenkollektoren sind eine zunehmend verbreitete Quelle erneuerbarer Energie und versorgen Teile der Welt mit Strom, die keinen Zugang zu einem Stromnetz haben. Ein Solarpanel besteht aus Dutzenden kleinerer Geräte, die Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln, sogenannte Photovoltaikzellen, kurz PV-Zellen. Eine typische PV-Zelle ist etwa 5 Quadratzoll (oder 13 Quadratzentimeter) groß und besteht aus Silizium, einem erschwinglichen Halbleitermaterial. Silizium absorbiert Energie aus dem Sonnenlicht, was Elektronen dazu anregt, sich von der Unterseite der Zelle nach oben zu bewegen und so Elektrizität zu erzeugen. Da für diesen Prozess Solarenergie erforderlich ist, produziert eine PV-Zelle nachts keinen Strom, sodass netzferne Standorte in diesen Stunden keinen Strom haben.

In letzter Zeit interessieren sich Forscher für die Nutzung der Energie, die aus der von Objekten abgegebenen Wärme entsteht, und zwar durch einen Prozess namens Strahlungskühlung. Die Erde wird tagsüber von der Sonne erwärmt und kühlt sich nachts ab, indem sie langwellige Strahlung zurück in den Weltraum sendet. Aus diesem Grund kann auf einen warmen Tag eine deutlich kühlere Nacht folgen, insbesondere bei klarem Himmel.

Typische PV-Zellen sind mit Siliziumdioxid bedeckt, das aufgrund der Strahlungskühlung eine starke Wärmeabgabe aufweist. Dadurch gibt die PV-Zelle Wärme an die Umgebung ab und bleibt nachts mehrere Grad kühler als die Umgebungsluft. Derzeit können PV-Zellen diese Temperaturänderung nicht in Strom umwandeln. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, PV-Zellen zu entwickeln, die diese Energie gewinnen. Dafür wäre jedoch ein Halbleiter mit anderen elektrischen Eigenschaften als Silizium erforderlich, was bedeutet, dass siliziumbasierte Solarmodule ausgetauscht werden müssten, um nachts Strom zu erzeugen.

Anstatt eine neue PV-Zelle zu entwerfen, modifizierten Wissenschaftler der Stanford University eine bestehende PV-Zelle, um Wärme in elektrische Energie umzuwandeln. Sie bauten ein Gerät ein, das Temperaturänderungen in elektrische Energie umwandelt, einen sogenannten thermoelektrischen Generator (TEG). Ein TEG ist ein Festkörpergerät, das heißt, es hat keine beweglichen Teile und besteht aus einem einzigartigen Material, das reagiert, wenn es zwei verschiedenen Temperaturen ausgesetzt wird. Die Atome im Material, die einer höheren Temperatur ausgesetzt sind, werden angeregt und geben Elektronen ab, die zur Seite des Materials fließen, die einer kühleren Temperatur ausgesetzt ist. Die Wissenschaftler planten, einen TEG zwischen der kühleren PV-Zelle und der wärmeren Umgebungsluft anzubringen.

Beim Entwurf dieser modifizierten PV-Zelle nutzten die Wissenschaftler thermodynamische Berechnungen, um herauszufinden, wann der TEG den meisten Strom erzeugen würde. Sie kamen zu dem Schluss, dass sie die Wärmemenge, die von der Umgebungsluft um den TEG herum und zur PV-Zelle fließt, minimieren mussten, da diese nicht zur Stromerzeugung des TEG beitragen würde. Daher umgaben sie das Gerät in einer isolierten Kunststoffkammer mit einer Öffnung für den Anschluss an die Umgebungsluft.

Die Wissenschaftler berechneten außerdem, dass sie den Kontakt der heißen Seite des TEG mit der Umgebungsluft maximieren mussten. Dazu verbanden sie diese Seite des TEG mit einem Standard-Computerteil, das Wärmeenergie überträgt, einem sogenannten Kühlkörper, und einem Basisträger. Der Kühlkörper bot der Umgebungsluft einen Weg, den TEG mit geringem Widerstand zu erreichen. Sie haben außerdem ein Aluminiumblech zwischen der PV-Zelle und dem TEG angebracht, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Anschließend trugen sie auf jede Komponente ein Silikonfett auf, um den Wärmefluss zu verbessern.

Um ihre modifizierte PV-Zelle zu testen, platzierten die Wissenschaftler sie vier Tage und Nächte lang auf einem Dach mit ungehindertem Zugang zum Himmel. Während dieser Zeit überwachten sie kontinuierlich die vom TEG und der PV-Zelle erzeugte Leistung sowie die Temperaturen der PV-Zelle, des Kühlkörpers und der Umgebungsluft.

Die Wissenschaftler beobachteten, dass sich die PV-Zelle tagsüber erwärmte, wobei die Temperatur zur Mittagszeit ihren Höhepunkt auf etwa 15 °C (59 °F) über der Umgebungslufttemperatur erreichte. Nachts fiel die Temperatur der PV-Zellen um etwa 3 °C (37 °F) unter die Umgebungslufttemperatur, die in klaren Nächten am stärksten ausgeprägt war. Der TEG nutzte die Temperaturunterschiede tagsüber und nachts zur Energiegewinnung.

Die Wissenschaftler stellten tagsüber eine kleine Menge Strom aus dem TEG fest, etwa 1 % dessen, was die PV-Zelle aus Sonnenlicht erzeugte. Nachts maßen sie jedoch eine beträchtliche Menge an Strom, der vom TEG erzeugt wurde, fast 40 % des Stroms, der tagsüber von der PV-Zelle erzeugt wurde. Sie stellten außerdem fest, dass in klaren Nächten mehr Strom erzeugt wurde als in bewölkten Nächten.

Die Wissenschaftler schlugen vor, die nächtliche Stromerzeugung in zukünftigen Arbeiten durch die Optimierung der PV-Zelle und der TEG-Kontaktfläche zu verbessern. Sie schlagen außerdem vor, eine elektrische Isolierschicht auf der Oberseite der PV-Zelle anzubringen, um die bei der Strahlungskühlung abgegebene Wärmemenge zu erhöhen. Sie kamen zu dem Schluss, dass durch die Modifizierung bestehender PV-Zellen netzferne Standorte nachts mit Strom versorgt werden könnten.