PV-Külung

Die Effizienz photovoltaischer Module ist abhängig von der Temperatur. Die Leistung der Module sinkt um ca. 0.5 % pro Grad Celsius bei Betriebstemperaturen oberhalb von 25°C. So fällt z.B. bei monokristallinen Zellen der Wirkungsgrad bei einer Temperaturerhöhung von 25 °C auf 60°C etwa von 15% auf 12%. Bei Dünnschichtzellen aus Silizium ist der Temperatureinfluss auf den Wirkungsgrad nicht ganz so stark. Er sinkt bei o.a. Temperaturerhöhung etwa von 6% auf 4%.

Der Erwärmungseffekt ist während der besonders intensiven Sonneneinstrahlung (Mittags) am höchsten. In dieser Phase ist auch die Photostrom-Produktion besonders hoch. Eine Abkühlung um 20°C ermöglicht eine um ca. 10% höhere Stromausbeute Diese Effizienzsteigerung und die Tatsache, dass keine zusätzliche elektrische Energie zur Kühlung zugeführt werden muss, macht dieses Verfahren der Stromgewinnung aus regenerativen Energiequellen sehr attraktiv und wirtschaftlich.

Hierzu werden neuartige und kostengünstige Polymerfolien mit integrierten Kanalstrukturen und Nanoporen eingesetzt, die das sehr effiziente Kühlprinzip der Verdunstungskälte, wie man es aus der Natur insbesondere von Bäumen kennt, technisch umzusetzen. In Abbildung 1 ist diese Umsetzung schematisch dargestellt. Der Effekt der für den Wassertransport genutzt wird, ist die Kapillarkraft. Diese bewirkt jedoch nur eine Steighöhe des Wassers von ca. 25 cm bei einem Kapillardurchmesser von z.B. 60µm. Wesentlich effektiver ist eine Kombination von Kapillarkräften und dem durch Verdunstung erzeugten Transpirations-Sog, wie er insbesondere von Bäumen für den Wassertransport in Höhen bis zu 100 m ausgenutzt wird.

TCS

Themochemische Speicher (TCS) arbeiten häufig mit Adsorptionsmaterialien wie Zeolith, um bei der Aufnahme von Wasserdampf (Adsorption) aus der Umgebung die frei werden Adsorptionswärme abzugeben (Heizen) und bei der Abgabe des Wasserdampfes (Verdampfung) einen Kühleffekt zu erreichen. In herkömmlichen TCS Anlagen sind für den effizienten Betrieb Temperaturdifferenzen von ca. 65 °C  zwischen den beiden Betriebsarten nötig, womit die Anwendung z.B. auf Heiz- / Kühlsysteme unter Ausnutzung von Fernwärme (130°C) beschränkt bleibt.

Sollen TCS-Systeme effizient bei wesentlich geringeren Temperaturdifferenzen und möglichst unter Ausnutzung der Umgebungswärme betrieben werden, bietet sich die Beschichtung eines geeigneten, nanoporösen Materials mit sogenannten Stimuli-responsive Polymers¹ an. Solche Polymere haben die Eigenschaft, bei einer materialspezifischen Temperatur (TSchalt) ihre Oberflächenenergie zu verändern. Oberhalb dieser Schalttemperatur weist das Polymer eine Veränderung seines hydrophilen Verhaltens gegenüber Wasser hin zum hydrophoberen auf. Bei hydrophiler Eigenschaft (T< TSchalt) wird Wasserdampf bevorzugt adsorbiert (Heizphase), während in der hydrophoberen Phase (T> TSchalt) der Wasserdampf durch eine Reduzierung des Kapillareffektes wieder abgegeben wird (Kühlphase). Grundlagenarbeiten^{2, 3} zu diesem Phänomen wurden bereits vom Kollegen Prof. Geiger, Lehrstuhl für Physikalische Chemie IIa, Technische Universität Dortmund, durchgeführt.

QD-Bauelemente

Am Lehrstuhl für Experimentelle Physik II der Technischen Universität Dortmund, Prof. Bayer, werden Quantendotstrukturen im Hinblick auf einen Einsatz z.B. als effiziente, extrem schnell modulierbare Halbleiterlaser untersucht. Für Grundlagen-Untersuchungen dieser Strukturen aber auch für eine effiziente Lichtauskopplung von damit später gefertigten Laserbauelementen wird die Plasmonenresonanz in dünnen Gold- oder Silberschichten favorisiert. Zur gezielten Anregung der gewünschten Plasmonenresonanz sind zweidimensionale periodische Strukturen (Löcher) mit Strukturabmessungen im 100nm – 500nm Bereich erforderlich, die wie ein künstliches zweidimensionales Bandgap-Material wirken.

Erste Versuche zur Strukturierung der Goldschichten wurden in Zusammenarbeit mit dem ISAS Dortmund und der Raith GmbH durchgeführt. In Abbildung 2 ist eine REM-Aufnahme eines Goldlochs mit einem Durchmesser von 500nm zu sehen.

Quellen:

(1) E.S. Gil and S.M. Hudson, Stimuli-reponsive polymers and their bioconjugates, Prog. Polym. Sci. 29 (2004), pp. 1173–1222.

(2) Patent EP2049248

(3) I.Brovchenko, A.Geiger and A.Oleinikova: Water in nanopores.I. Coexistence curves from Gibbs ensemble Monte Carlo simulations, J. Chem. Phys. 120, 1958-1972 (2004)

Abb. 1: Kapillarstrukturen und Nanoporen von Bäumen ermöglichen ein sehr effizientes Kühlprinzip, das auf der Verdunstungskälte basiert. Der Effekt, der für den Wassertransport genutzt wird, ist eine Kombination von der Kapillarkraft und dem durch Verdunstung erzeugten Transpirations-Sog.

Abb. 2: Zweidimensionale periodische Lochstrukturen in dünnen Goldschichten mit Strukturabmessungen im 100nm – 500nm Bereich wirken wie ein künstliches zweidimensionales Bandgap-Material zur Lichtauskopplung mittels Plasmonenresonanz. Diese Struktur konnte in ersten Versuchen im Rahmen des Projektes bereits hergestellt werden.