Weltraumkühlung unterstützt Energiegewinnung
Transparente reflektierende Beschichtung erhöht Effizienz von Solarzellen.
Wissenschaftler der Universität Stanford arbeiten zwar auf Nano- und Mikroskalen, legen ansonsten aber große Maßstäbe an: sie sehen das Weltall als enorme – aber bislang wenig genutzte – thermodynamische Ressource, die man sich auch bei der Herstellung effizienterer Solarzellen nutzbar machen sollte.
Abb.: Bereits vor einem Jahr freuten sich Linxiao Zhu, Shanhui Fan und Aaswath P. Raman (v.r.n.l.) über die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten ihre Beschichtungen mit passiver Strahlungskühlung, von der nun nicht nur Häuserdächer sondern auch Solarzellen profitieren sollen. (Bild: Stanford U.)
Das zugrundeliegende Prinzip der durch geeignete Beschichtung erzielten „Weltraumkühlung“ stellte die Arbeitsgruppe um Professor Shanhui Fan erstmals vor einigen Jahren vor. Da die Erdatmosphäre für Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 13 µm durchlässig ist, können Körper typischer auf der Erde vorherrschender Temperaturen durch Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung – die genau in diesem Infrarot-Wellenlängenbereich liegt – gekühlt werden, ohne die Atmosphäre dabei aufzuheizen.
Bereits in früheren Veröffentlichungen zeigten die Wissenschaftler, dass die die Anforderung an ein solches Wärmestrahlung reflektierendes transparentes Schichtsystem mit Hilfe sogenannte photonischer Kristalle aus Quarz realisiert werden kann. Quarz an sich weist bereits einen relativ hohen Emissionsgrad im Infrarotbereich auf, im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 13 µm sowie zwischen 20 und 25 µm bricht dieser jedoch aufgrund von Phonon-Polariton-Resonanzen zusammen. Dieses Manko kann jedoch durch eine geeignete Strukturierung behoben werden. Diese macht die Quarzschicht zu einem photonischen Kristall und verbessert damit das Verhältnis zwischen Reflektivität und Transmissivität im Infrarotbereich erheblich.
Dazu wurden in eine 100 µm dicke Quarzplatte fotolitographisch senkrecht zur Oberfläche Kanäle von 10 µm Tiefe und einem Durchmesser von 6 µm geätzt. Diese sich nach unten etwas verjüngenden luftgefüllten Kammern sorgen für eine graduelle Änderung des Brechungsindexes im Material, die eine effektive Anpassung des Wellenwiderstands zwischen Quarzglas und Luft gewährleisten. Der so hergestellte photonische Kristall ist über den gesamten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes transparent und verhält sich im mittleren Infrarotbereich wie ein schwarzer Strahler.
Abb.: Foto des transparenten photonischen Kristalls mit gut sichtbarem darunterliegenden Logo der Stanford Universität. (Bild: Stanford U.)
Dadurch eignet sich dieser transparente Infrarot-Reflektor hervorragend zur passiven Kühlung von Solarzellen. Betreiber von Solarkraftanlagen stehen nämlich vor dem Dilemma, dass das zur Stromerzeugung benötigte Sonnenlicht die Temperatur der Solarzellen erhöht und dadurch ihre Effizienz drastisch senkt.
Die Forscher testeten ihre Entwicklung, deren Grundlagen sie bereits vor zwei Jahren zum Patent angemeldet haben, an einem klaren Wintertag auf dem Dach des Institutsgebäudes. Ein Licht-Absorber aus Silizium imitierte dabei eine Solarzelle und wurde mit der entsprechend mikrostrukturierte Quarzplatte abgedeckt. Letztere ließ elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich ungehindert zum Absorber durch und kühlte diesen dabei um 13 Grad Celsius ab.
Für eine typische Solarzelle aus kristallinem Silizium mit einer Effizienz von 20 Prozent würde dieser Grad der Kühlung eine Effizienzsteigerung von über einem Prozent und damit einen entschiedenen Fortschritt in der Energiegewinnung bedeuten.
Stanford University / LK
