Die Flüssigkeit, die das Sonnenlicht teilt: Wie NANOSPLIT Strom und Wärme gewinnt + test

• Strom und Wärme aus demselben Sonnenlicht
• Das Problem: Heiße Zellen arbeiten schlechter
• Ein Filter aus Zinkoxid und Gold
• Was ein Filter verändern kann
• Die Arbeit geht weiter
• Optik im Dienst der Sonnenenergie
• Fazit
• Fünf Fragen: Wie gehst du mit Energie um? (Test)

⇑Strom und Wärme aus demselben Sonnenlicht

Das EU-finanzierte Projekt NANOSPLIT wurde 2021 gestartet, um konzentrierende thermische Photovoltaiksysteme (PV-T) effizienter zu machen. Diese hybriden Anlagen erzeugen gleichzeitig Strom und Nutzwärme mit hoher Temperatur.

Dazu bündeln Linsen oder Spiegel das Sonnenlicht auf eine kleine Solarzellenfläche. Die dabei entstehende Wärme wird nicht einfach verschwendet, sondern genutzt.

⇑Das Problem: Heiße Zellen arbeiten schlechter

Herkömmliche PV-T-Technologien haben einen Haken. Bei stärkerer Sonneneinstrahlung steigen auch die Temperaturen, und die Solarzellen verlieren an Wirkungsgrad.

NANOSPLIT löste dieses Problem mit einer spektralen Aufspaltungstechnologie auf Basis von Nanofluiden. Sie filtert das Sonnenlicht: Die optimalen Wellenlängen gelangen zur Stromerzeugung in die Zellen, während die ungenutzten Wellenlängen für die Wärmegewinnung absorbiert werden.

⇑Ein Filter aus Zinkoxid und Gold

Das Projektteam entwickelte hybride Nanofluide aus Zinkoxid-Schichten und Gold-Nanopartikeln. Sie wirken wie ein intelligenter Filter für das Sonnenlicht.

Das Licht wird dabei auf zwei Wege verteilt:

• sichtbares Licht und Nah-Infrarot gelangen zu den Solarzellen,
• ultraviolette und wärmetragende infrarote Wellenlängen werden zu den thermischen Komponenten geleitet,
• die Zellen bleiben kühler – genau das, woran herkömmliche Systeme scheitern.

So wird jeder Teil des Sonnenspektrums dort eingesetzt, wo er den größten Nutzen bringt.

⇑Was ein Filter verändern kann

Der Ansatz ist einfach zu erklären, aber technisch anspruchsvoll: Statt die Zellen nachträglich zu kühlen, sorgt der Filter dafür, dass die wärmetragenden Anteile des Lichts gar nicht erst in die Solarzellen gelangen. Dieselbe Energie, die sonst stören würde, wird so zu einem zweiten Produkt – zu Nutzwärme.

⇑Die Arbeit geht weiter

NANOSPLIT wurde 2023 abgeschlossen. Seitdem arbeitet das Team mit europäischen und indischen Partnern weiter an der Technologie.

Ein Schwerpunkt sind Carbon-Dot-Nanofluide. Außerdem kooperiert das Team mit Solar Flow, einem Spin-off des Imperial College London, das sich auf industrielle Anwendungen mit hohen Temperaturen konzentriert.

Aus einem Forschungsprojekt sind damit gleich mehrere neue Wege entstanden: neue Materialien im Labor und ein Unternehmen, das sich die industrielle Nutzung ansieht.

⇑Optik im Dienst der Sonnenenergie

Christos Markides, Professor für saubere Energietechnologien am Imperial College London, fasst zusammen: „NANOSPLIT hat erfolgreich demonstriert, wie fortschrittliche Lösungen für das optische und thermische Management effektiv verwendet werden können, um die nächste Generation von Technologien zur Nutzung der Sonnenenergie zu erschließen.“

Für Studierende der Physik, der Materialwissenschaft oder der Energietechnik zeigt das Projekt, wie Optik, Chemie und Thermodynamik in einem einzigen Bauteil zusammenkommen.

Hybride PV-T-Anlagen sind reinen Photovoltaik- oder Solarthermieanlagen schon heute überlegen, weil ihr Gesamtwirkungsgrad höher ist. Die spektrale Aufspaltung geht noch einen Schritt weiter: Sie nutzt das gesamte Spektrum der Sonnenstrahlung und hält die Zellen dabei kühl, was ihre Lebensdauer verlängert. Die Ergebnisse stellte das Team auf der internationalen Konferenz ECOS 2024 auf Rhodos in Griechenland vor, die sich der Thermodynamik und der nachhaltigen Energiewende widmete.

⇑Fazit

NANOSPLIT hat einen Weg gefunden, die größte Schwäche konzentrierender PV-T-Systeme zu umgehen: die Überhitzung der Zellen. Hybride Nanofluide aus Zinkoxid-Schichten und Gold-Nanopartikeln teilen das Sonnenlicht auf, schicken sichtbares Licht und Nah-Infrarot zu den Zellen und ultraviolette und infrarote Strahlung zu den thermischen Komponenten. Seit dem Projektende 2023 geht die Arbeit mit Partnern in Europa und Indien weiter.

⇑Fünf Fragen: Wie gehst du mit Energie um? (Test)