Um diese Situation zu verbessern und höhere Wirkungsgrade zu erzielen, haben Forscher des Instituts für Solarenergie der Polytechnischen Universität Madrid (UPM) und des Zentrums für Energie- und Wärmewissenschaften in Lyon ein neues Gerät entwickelt. In diesem wird der Elektronenfluss durch die Emission von Photonen und Elektronen durch einen nanometergroßen Hohlraum ersetzt. Dadurch wird die Ausbreitung von Phononen unterbrochen, die die Hauptursache für Wärmeverluste in herkömmlichen thermoelektrischen Bauelementen sind. Dieser neue Umwandlungsmechanismus trägt den Namen „thermionenverstärkte Nahfeld-Thermophotovoltaik“ und ermöglicht theoretisch eine deutliche Steigerung sowohl der elektrischen Leistungsdichte als auch des Wirkungsgrades.
„Um Wärme in Elektrizität umzuwandeln, nutzen aktuelle Geräte den Fluss von Elektronen durch einen Festkörper. Diese Elektronen bewegen sich aufgrund eines Temperaturgradienten und erzeugen schließlich eine Spannung, die zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Dies wird als thermoelektrischer Effekt bezeichnet und ist die Grundlage vieler Generatoren, die heute zur Stromerzeugung aus Abwärme oder in Weltraummissionen eingesetzt werden“, erklärt Alejandro Datas, Forscher am UPM Solar Energy Institute und Autor der kürzlich in der Fachzeitschrift Nano Energy veröffentlichten Studie. „Die größte Einschränkung der Thermoelektrizität besteht derzeit darin, dass der Elektronenfluss mit dem Fluss von Phononen konkurriert. Phononen sind schwingende Quasiteilchen, die sich durch das Kristallgitter des Materials ausbreiten. Sie transportieren einen Großteil der Wärme und sind für den größten Teil der Wärmeverluste des Geräts verantwortlich. Diese Verluste erklären, warum der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Umwandlung selten 10 % übersteigt“, fügt er hinzu.
Wärmeübertragung im Nanobereich.
Diese Verluste lassen sich jedoch eliminieren, wenn wir nach anderen Mechanismen suchen, um Wärme in Elektrizität umzuwandeln. Ein heißes Material enthält Atome in ständiger Schwingung. Neben Phononen erzeugen diese Schwingungen auch elektromagnetische Wellen. Ein Teil dieser Wellen tritt aus dem Material aus und wird von uns als Licht oder elektromagnetische Strahlung wahrgenommen. Andere Wellen können jedoch nicht entweichen und bleiben in der Nähe der Oberfläche eingeschlossen. Die Gesetze des Elektromagnetismus besagen, dass die Intensität der elektromagnetischen Energie sprunghaft ansteigt, wenn wir uns nur wenige hundert Nanometer (ein Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares) von der Oberfläche eines heißen Materials entfernen. Dieser Effekt wird als „Tunneleffekt“ bezeichnet und ermöglicht es uns, große Mengen elektromagnetischer Energie zu übertragen, ohne dass ein physischer Kontakt mit dem Material erforderlich ist. Entscheidend ist, dass dieser minimale Abstand ausreicht, um den Phononenfluss zu unterbrechen und somit die damit verbundenen Wärmeverluste zu eliminieren. Die grundlegende Herausforderung besteht daher darin, diese große Menge an elektromagnetischer Oberflächenenergie effizient in Elektrizität umzuwandeln.
Das vorgeschlagene Gerät bietet eine Lösung, die thermionische und photovoltaische Effekte kombiniert. „Dabei wird eine Solarzelle extrem nah an die Oberfläche des heißen Materials platziert, nur wenige hundert Nanometer entfernt. So wie eine Solarzelle aus Sonnenlicht Strom erzeugt, generiert diese Zelle Strom aus der elektromagnetischen Strahlung an der Materialoberfläche. Da es jedoch sehr schwierig ist, in solch unmittelbarer Nähe eine Leitung zur Stromableitung zu verlegen, ersetzen wir die Leitungen durch die thermionische Emission von Elektronen von der Oberfläche selbst“, erklärt Alejandro Datas. Auf diese Weise ermöglicht das Gerät die Umwandlung von elektromagnetischen Wellen (Photonen) in Elektrizität, aber auch der von der Oberfläche emittierten Elektronen. Die gleichzeitige Nutzung von Photonen und Elektronen stellt ein neues technologisches Paradigma im Bereich der direkten Wärme-zu-Elektrizität-Umwandlung dar. „Die gleichzeitige Nutzung von Photonen und Elektronen als Wärmeträger in thermoelektrischen Umwandlungsprozessen birgt neue wissenschaftliche und technologische Herausforderungen, die in zukünftigen Forschungsarbeiten weiter untersucht werden müssen“, erklärt Alejandro Datas.
Dieses neue Gerät ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zweier europäischer Projekte: des EU-finanzierten Projekts AMADEUS, koordiniert vom Solar Energy Institute der UPM und fokussiert auf die experimentelle Umsetzung dieser Hybridgeräte über makroskopische Distanzen, und des französischen Projekts DEMO NFR TPV, das die Entwicklung eines Geräts zur thermophotovoltaischen Nahfeldumwandlung zum Ziel hat.
„Die nächste Herausforderung besteht darin, die Ergebnisse dieser beiden Projekte zu koordinieren, um einen hybriden Nahfeldwandler zu entwickeln“, erklären die Forscher.
