Metamaterial-basierte thermische Emitter und Absorber

Photonische Kristalle ermöglichen eine gezielte Manipulation ihrer photonischen Zustandsdichte und damit der spontanen Emissionrate [1]. Daraus ergeben sich völlig neue Konzepte für thermische Strahlungsquellen mit massgeschneiderten spektral selektiven und richtungsabhängigen Emissionscharakteristiken. Diese neue Klasse von Emittern und Absorbern bildet eine Basis für die nächste Generation von Anwendungen zur hocheffizienten Energiegewinnung, wie Solarthermie, Photovoltaik und Thermophotovoltaik. Solare Thermophotovoltaik (TPV)-Systeme haben das Potential, das Effizienzlimit von klassischen Solarzellen (Shockley-Queisser Limit von 31% bei unkonzentrierter und 41% unter voll konzentrierter Einstrahlung) zu überwinden, indem durch eine Zwischenstufe aus einem Absorber-Emitterpaar das Spektrum der einfallenden Strahlung an die Bandlücke der Solarzelle angeglichen wird [2]. Die hohe Betriebstemperatur solcher Systeme, idealerweise über 1000 K (für einen Konzentrationsfaktor von 100 Sonnen und gleich großer Emitter- und Absorberfläche liegt sie beispielsweise bei 1600 K), stellt diese Absorber-Emitterstufe vor zwei wesentliche Anforderungen: Erstens an die thermische Stabilität, die üblicherweise in der Solarthermie verwendete Materialien, wie beispielsweise metallkeramische Verbundwerkstoffe (Cermets), nicht bestehen. Überdies ist sowohl für Absorber als auch Emitter die effiziente Unterdrückung des Emissionsgrads für langwellige Strahlung absolut unumgänglich, um Energieverluste über nicht nutzbare langwellige Wärmeabstrahlung zu vermeiden. Hochaktuelle Publikationen auf diesem Gebiet behandeln auf hochtemperaturstabilen Metamaterialien basierende Konzepte für Absorber- und Emitterstrukturen [3,4]. Erste experimentelle Umsetzungen von auf oberflächenstrukturiertem Wolfram basierten Emittern, demonstriert von der Gruppe um J. Kassakian am MIT, zeigen vielversprechende Ergebnisse [5]. Die in [3,4] vorgeschlagenen Strukturen ermöglichen zwar die Erhöhung der Emission und Absorption kurzwelliger Strahlung gegenüber dem unstrukturierten Ausgangsmaterial, die Demonstration einer effizienten Unterdrückung langwelliger Abstrahlung stellt auf diesem Gebiet tätige Forschergruppen weiterhin vor eine Herausforderung. Erst vor kurzem wurde ein neuartiges Emitterkonzept vorgeschlagen, bei dem eine sehr effiziente Unterdrückung der langwelligen Strahlung durch ein zusätzliches selektives Vielschichtsystem in Kombination mit einem zweidimensionalen metallischen photonischen Kristall erreicht werden soll [6]. Gleichzeitig soll ein auf einem Metall-Hableiter-Schichtsystem basierender Absorber durch zusätzliche dielektrische Zwischenschichten eine hervorragende Unterdrückung der Abstrahlverluste ermöglichen [6]. Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit dem Design, der Optimierung und der Herstellung von Metamaterialien für Hochtemperaturanwendungen wie die solare Thermophotovoltaik, wobei erste Versuche auf dem in [6] von der gastgebenden Gruppe am MIT vorgeschlagen Ansatz basieren werden. Die in [6] vorgestellte Struktur, deren optimale Parameter durch einen globalen Optimierungsalgorithmus ermittelt wurden, wird zur Realisierung in spezifischen Hochtemperaturmaterialien und für eine optimale Betriebstemperatur adaptiert. Die experimentelle Umsetzung eines effizienten Absorber-Emitter Verbundes für hohe Betriebstemperaturen im Zuge dieses Projekts stellt einen essentiellen Beitrag auf demWeg zur effizienten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie dar, und soll neuen, auf nanostrukturierten Metamaterialien basierenden Konzepten der Energiegewinnung den Weg ebnen. [1] J. D. Joannopoulos, "Photonics: Minding the gap," Nature 375, 278 (1995). [2] N. P. Harder and P. Wurfel, "Theoretical limits of thermophotovoltaic solar energy conversion", Semicond. Sci. Technol. 18 (5), S151 (2003). [3] E. Rephaeli and S. Fan, "Absorber and emitter for solar thermophotovoltaic systems to achieve efficiency exceeding the Shockley-Queisser limit", Optics Express 17 (17), 15145 (2009). [4] N. P. Sergeant, O. Pincon, M. Agrawal, and P. Peumans, "Design of wide-angle solar-selective absorbers using aperiodic metal-dielectric stacks", Optics Express 17 (25), 22800 (2009). [5] I. Celanovic, N. Jovanovic, and J. Kassakian, "Two-dimensional tungsten photonic crystals as selective thermal emitters", Applied Physics Letters 92 (19), 193101 (2008). [6] P. Bermel, M. Ghebrebrhan, W. Chan, Y. X. Yeng, M. Araghchini, R. Hamam, C. H. Marton, K. F. Jensen, M. Soljacic, J. D. Joannopoulos, S. G. Johnson, and I. Celanovic, "Design and global optimization of high-efficiency thermophotovoltaic systems", Optics Express 18 (103), A314 (2010).

Das Projekt befasst sich mit metallischen photonischen Kristallen und deren Verwendung als thermische Strahlungsquelle (Emitter) und Absorber für die Energieumwandlung im Hoch-temperaturbereich. Durch die hohe spektrale Selektivität, die mit den Emittern auf dieser Basis in diesem Projekt erzielt wurde, werden neue Energieumwandlungsmethoden auf Festkörperbasis ermöglicht, wie zum Beispiel Solar-, Radioisotop- und Verbrennungs- Thermophotovoltaik, mit dem Potential zu effizienten, skalierbaren Energielösungen.Durch Thermophotovoltaik (TPV) wird Wärme direkt in elektrische Energie umgewandelt, indem die von einem thermischen Emitter erzeugte Wärmestrahlung eine geeignete Solarzelle treibt. Diese direkte Energieumwandlung benötigt keine mechanischen Komponenten, wenig Wartung, kann mit jeder Wärmequelle betrieben werden und ermöglicht hohe Leistungsdichte. In der Photovoltaik ist die Effizienz durch die Diskrepanz von einfallender Strahlung und den spektralen Eigenschaften der Solarzelle limitiert: Strahlung mit Frequenzen unterhalb der Bandlücke der Solarzelle (typischerweise im Infrarot) kann nicht in Strom umgewandelt werden, und für Strahlung mit hohen Frequenzen (im sichtbaren und UV Bereich) geht die überschüssige Energie als Verlustwärme in der Solarzelle verloren. Die Effizienz eines TPV Systems beruht darauf, das Spektrum des thermischen Emitters genau an die Bandlücke der Solarzelle anzupassen, und in der Umwandlung von Sonnenenergie ist zusätzlich der spektrale Bereich des Absorbers genau auf die Sonneneinstrahlung abzustimmen.In nanophotonische Materialien kann man die thermischen Emissions- und Absorptionseigenschaften genau kontrollieren. In photonischen Kristallen hängt die photonische Zustandsdichte und damit die spontane Emissionsrate von der Geometrie der Struktur ab, was das Design von genau zugeschnittenen Emittern und Absorbern ermöglicht. Da die Effizienz der Energieumwandlung mit der Temperatur steigt, muss das Material zusätzlich bei hohen Temperaturen (>800C) langfristig stabil sein. Für diesen Bereich wurden Absorber und Emitter aus photonischen Kristallen auf Tantal- und Wolframverbindungen entwickelt, sowie ein skalierbarer Herstellungsprozess auf der Basis von Standard-Halbleiterprozessen. Die hergestellten photonischen Kristalle zeigen hohe Selektivität und überdies hohe thermische Stabilität bei bis zu 1200. Ein Absorber/Emitter Paar aus photonischen Kristallen wurde für ein Solar-TPV System optimiert und erzielte in einem experimentellen Solar-TPV Aufbau unter realistischen Bedingungen viermal höhere Systemeffizienz als bisherige Systeme ohne spektral selektive Komponenten.Diese Ergebnisse demonstrieren nicht nur, dass spektrale Komponenten aus photonischen Kristallen für die thermisch-elektrische Energieumwandlung höchst vorteilhaft sind, sondern ermöglichen auch die Entwicklung neuer hocheffizienter und leistungsfähiger Energieumwandlungssysteme.