Gold-Supraballs könnten Solaranlagen deutlich effizienter machen

Winzige Goldkugeln könnten Solaranlagen deutlich effizienter machen – doch bis zur Anwendung ausserhalb des Labors ist es noch ein weiter Weg.

Ein Forschungsteam aus Südkorea präsentiert einen vielversprechenden Weg, Sonnenlicht wesentlich besser zu verwerten. Im Mittelpunkt stehen neue Kugelgebilde aus Gold-Nanopartikeln, die erheblich mehr Licht absorbieren sollen als bisherige Beschichtungen. Was zunächst nach Spezialphysik klingt, könnte langfristig beeinflussen, wie viel Strom künftige Solaranlagen erzeugen.

Warum Solaranlagen heute viel Sonnenenergie ungenutzt lassen

Die Sonne schickt fortlaufend riesige Energiemengen zur Erde. Rechnerisch würde ihre Strahlung innerhalb einer einzigen Stunde ausreichen, um den globalen Jahresenergieverbrauch deutlich zu decken. Tatsächlich nutzen Solaranlagen davon bislang nur einen kleinen Teil.

Das liegt an den physikalischen Eigenschaften des Lichts: Sonnenstrahlung umfasst zahlreiche Wellenlängen, von Ultraviolett bis weit ins Infrarot. Herkömmliche Solarzellen auf Siliziumbasis können jedoch nur einen vergleichsweise begrenzten Ausschnitt dieses Spektrums verwerten. Die übrige Strahlung wird entweder zurückgeworfen oder erwärmt das Material lediglich.

Auch hochwertige monokristalline Siliziumzellen erreichen daher meist nur etwa 20 bis 22 Prozent Wirkungsgrad. Somit geht ein grosser Anteil der Energie verloren, obwohl sie die Oberfläche des Moduls erreicht.

Wer Solarzellen effizienter machen will, muss mehr Wellenlängen des Sonnenlichts einfangen – möglichst ohne die Technik komplizierter und teurer zu machen.

Gold-Nanopartikel als Lichtfänger

An diesem Punkt setzt die Arbeitsgruppe der Korea University an. Sie untersucht Gold-Nanopartikel, die bereits seit den 2000er-Jahren als Material für die Solartechnik erforscht werden. Denn auf der Nanoskala besitzt Gold ganz andere Eigenschaften als ein massiver Goldbarren.

Anstatt Licht vor allem zu reflektieren, können diese Partikel es ausserordentlich wirkungsvoll aufnehmen. Dahinter steckt ein optischer Effekt, der als „lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz“ bezeichnet wird. Vereinfacht ausgedrückt: Trifft Licht einer bestimmten Wellenlänge auf die Partikel, beginnen deren Oberflächenelektronen zu schwingen und nehmen dabei Energie auf.

Allerdings reagiert ein einzelnes Gold-Nanopartikel stets nur auf einen engen Wellenlängenbereich, der von seiner jeweiligen Grösse bestimmt wird. Ein isolierter Partikel kann deshalb nur einen winzigen Ausschnitt des Sonnenspektrums erfassen. Für Solarzellen reicht das allein nicht aus.

Gold-Supraballs bündeln unterschiedliche Partikelgrössen

Das Team um Jaewon Lee, Seungwoo Lee und Kyung Hun Rho verfolgt deshalb eine andere Strategie. Gold-Nanopartikel verschiedener Grössen werden dazu gebracht, sich selbstständig zu kugelförmigen Strukturen zusammenzufügen. Diese Gebilde nennen die Forschenden „Supraballs“.

Innerhalb einer solchen Kugel befinden sich Partikel mit unterschiedlichen Durchmessern. Da jede Grösse auf andere Wellenlängen anspricht, kann die gesamte Kugel einen deutlich grösseren Teil des Sonnenlichts abdecken als ein einzelner Partikel.

• Kleinere Partikel: Sie reagieren hauptsächlich auf kürzere Wellenlängen, etwa im UV- und blauen Bereich.
• Grössere Partikel: Sie sind stärker für längere Wellenlängen empfindlich, also für Rot und nahes Infrarot.
• Die Kugel insgesamt: Sie verlagert die Grenze zwischen reflektiertem und absorbiertem Licht deutlich in Richtung Absorption.

Bemerkenswert ist zudem, dass die Supraballs eigenständig entstehen. Unter passenden Bedingungen setzen sich die Partikel spontan zu Kugeln zusammen. Dadurch entfallen technische Zwischenschritte, was die Fertigung vereinfachen könnte.

Simulationen und Laborversuch mit den Supraballs

Noch vor den Laborversuchen führte das Team umfangreiche Computersimulationen durch. Dabei veränderten die Forschenden Grösse und Zusammensetzung der Kugeln, um jene Mischung zu bestimmen, die möglichst breite Bereiche des Sonnenspektrums absorbiert.

Die Berechnungen ergaben eine theoretische Abdeckung von mehr als 90 Prozent der relevanten Wellenlängen. Das ist ein aussergewöhnlich hoher Wert und liegt deutlich über dem, was konventionelle Gold-Nanopartikel erreichen.

Danach folgte ein praktischer Test. Statt eine Solarzelle direkt zu beschichten, verwendete die Gruppe einen handelsüblichen thermoelektrischen Generator – ein Bauteil, das elektrische Energie aus Temperaturunterschieden gewinnt. Auf dessen Oberfläche brachten sie eine Flüssigkeit mit Supraballs auf, die nach dem Trocknen einen dünnen Film bildete.

Unter einem künstlichen LED-Sonnensimulator wurde der Unterschied deutlich: Der beschichtete Generator erzielte eine Absorptionsrate von etwa 89 Prozent. Ein baugleiches Bauteil mit einem herkömmlichen Film aus Gold-Nanopartikeln erreichte dagegen nur rund 45 Prozent.

Fast doppelt so viel Lichtaufnahme wie herkömmliche Goldpartikel – das macht die Supraballs zu einem heißen Kandidaten für künftige Solar- und Wärmetechnik.

Was die Ergebnisse für Solarzellen bedeuten – und was nicht

Die Resultate aus dem Versuch wecken hohe Erwartungen. Grundsätzlich bedeutet mehr absorbiertes Licht auch mehr potenziell nutzbare Energie. Gerade bei Solarmodulen, deren reale Leistung oft klar unter den Nennwerten liegt, können bereits einige zusätzliche Prozentpunkte beim Wirkungsgrad wirtschaftlich viel ausmachen.

Die Forschenden bremsen jedoch selbst überzogene Erwartungen. Sie behaupten nirgends, dass ihre Methode den Wirkungsgrad klassischer Photovoltaik kurzerhand verdoppeln könne. Bislang ist nicht einmal geklärt, wie sich Supraballs über längere Zeit auf tatsächlichen Solarmodulen verhalten.

Zwischen einem Laborfilm auf einem Testobjekt und einer robusten, wetterfesten Beschichtung für Dächer, Solarparks oder Fassaden bestehen zahlreiche Herausforderungen:

• Stabilität: Wie lange bleiben die Strukturen unter Sonneneinstrahlung, Regen, Frost und Hitze funktionsfähig?
• Herstellungskosten: Kann das Verfahren kostengünstig in grossen Mengen umgesetzt werden?
• Integration: Wie gut lässt sich die Beschichtung mit bestehenden Solarzellen-Designs kombinieren?
• Skalierbarkeit: Erbringt die Technik auf Quadratmeterflächen dieselbe Leistung wie auf kleinen Testflächen?

Die Solarbranche steht unter hohem Wettbewerbsdruck

Hinzu kommt die Situation am Markt: Die Solarindustrie ist heute stark standardisiert und weit entwickelt. Hersteller optimieren seit Jahren jeden Cent und jeden halben Prozentpunkt beim Wirkungsgrad. Neue Materialien müssen daher nicht nur bessere Werte liefern, sondern sich auch reibungslos in vorhandene Produktionslinien einfügen.

Gerade in der Photovoltaik haben es viele Technologieversprechen der vergangenen Jahre nicht in die Massenfertigung geschafft. Einige Ansätze scheiterten bereits im Pilotwerk, andere an zu hohen Kosten oder an mangelnder Haltbarkeit auf dem Dach. Die Supraballs müssen erst noch zeigen, dass sie diesen Weg bewältigen können.

Mögliche Einsatzbereiche für Gold-Supraballs

Trotz der offenen Fragen gibt es mehrere Anwendungen, in denen die Goldkugeln interessante Chancen bieten könnten:

• Thermische Solarsysteme: Hier kommt es vor allem darauf an, möglichst viel Strahlung in Wärme umzuwandeln – eine ideale Aufgabe für stark absorbierende Schichten.
• Hybridmodule: Systeme, die Strom und Wärme zugleich erzeugen, könnten sowohl den elektrischen als auch den thermischen Ertrag erhöhen.
• Nischenanwendungen: Sensoren, kompakte Generatoren oder Spezialmodule könnten zunächst von der Beschichtung profitieren, bevor sie auf grossen Dachanlagen eingesetzt wird.

Gold erscheint zunächst teuer, doch im Nanobereich werden nur sehr geringe Mengen benötigt. Entscheidend ist, wie viel Material je Quadratmeter erforderlich wäre und wie aufwendig sich die Kugeln im industriellen Massstab herstellen lassen.

Einordnung von Wirkungsgrad und Spektrum

Wer sich nicht täglich mit Energietechnik beschäftigt, kann bei den vielen Fachbegriffen leicht den Überblick verlieren. Zwei Grundlagen helfen bei der Einordnung:

Wirkungsgrad bezeichnet den Anteil der eintreffenden Energie, der in eine nutzbare Form wie Strom umgewandelt wird. Wird dieser Wert verdoppelt, liefert dieselbe Modulfläche annähernd doppelt so viel Energie. Das zeigt, weshalb jede Verbesserung so hart umkämpft ist.

Spektrum steht für die „Farbverteilung“ des Lichts. Das menschliche Auge nimmt nur einen schmalen Bereich wahr, gewöhnlich als Farben des Regenbogens. Solarzellen reagieren jedoch ebenfalls auf unsichtbare UV- und Infrarotbereiche. Eine Technik, die einen grösseren Teil dieses Spektrums einfängt, bietet daher ein klares Potenzial für höhere Erträge.

Genau dort setzen Gold-Supraballs an: Sie sollen eine glatte Moduloberfläche in eine Art präzise abgestimmten Lichtfänger verwandeln, in dem unzählige Nanostrukturen jeweils ihren eigenen Wellenlängenbereich aufnehmen. Wie gross der tatsächliche Fortschritt ausfällt, müssen nun weitere Tests im Labor, im Freien und möglicherweise eines Tages auf realen Dächern zeigen.