Next-Gen Thermoelektrik ermöglicht 15‑fachen Schub der Solarleistung

Da erneuerbare Energie aus natürlichen Ressourcen stammt und nachwächst, kann sie dazu beitragen, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, den Klimawandel zu bekämpfen und unseren Bedarf an einer nachhaltigen Energiezukunft zu decken.

Diese reichlich vorhandenen, natürlich nachwachsenden Energiequellen mit minimalen Emissionen umfassen Sonnenlicht, Wind, Wasser, Biomasse und geothermische Wärme.

Unter diesen ist Solarenergie die primäre Quelle erneuerbarer Energie. Da die Sonne eine unendliche Energiequelle ist, ist Solarenergie unerschöpflich, wodurch sie die am weitesten verfügbareverfügbare.

Im Jahr 2024 erreichte die globale Solarenergie einen Rekordwert, mit Installationen die 600 GW überschritten, ein Anstieg von 33 % gegenüber dem Vorjahr, was 81 % aller neuen erneuerbaren Kapazitäten weltweit ausmacht.  Infolgedessen machte Solarenergie etwa 7 % der globalen Stromversorgung aus und verdoppelte fast seinen Anteil am Strommix in nur drei Jahren.

Die Internationale Energieagentur (IEA) erwartet tatsächlich, dass Solar-Photovoltaik (PV) bis 2029 zur größten erneuerbaren Energiequelle wird, begünstigt durch unterstützende Regulierungsmaßnahmen und den starken Rückgang der Kosten für aus Solarmodulen erzeugten Strom.

Eine PV-Zelle oder eine Solarzelle ist ein Gerät, das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt. Einige Zellen können sogar künstliches Licht in Strom umwandeln. Sie sind jedoch nicht fehlerfrei. Eine der Hauptbeschränkungen einer PV-Zelle ist ihre Temperatur, die die Umwandlungseffizienz erheblich beeinflusst.

Dies ist der Punkt, an dem eine weitere weit verbreitete Technologie, die solarthermoelektrische (TE) Technologie, ins Spiel kommt. 

Über Solar‑PV hinaus zu Solar‑Thermoelektrischen Generatoren (STEGs)

Ein thermoelektrischer Generator (TEG) kann die Herausforderung der Umwandlungseffizienz bei PV-Zellen angehen, indem er verschwendete Wärme in elektrische Energie umwandelt.

TEGs sind für ihre hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer und das Fehlen mechanischer beweglicher Teile bekannt, was sie zu einer praktikablen und vielversprechenden Option für die Integration mit PV-Zellen in Hochtemperaturanwendungen macht.

Auch als Seebeck-Generator bezeichnet, ist ein thermoelektrischer Generator (TEG) ein Gerät, das Wärme direkt in Strom über den Seebeck-Effekt umwandelt.

Bei diesem Effekt erzeugt ein Temperaturunterschied zwischen zwei ungleichen Leitern oder Halbleitern eine Spannung, verursacht durch die Bewegung von Ladungsträgern. 

Wenn Wärme auf einen der Leiter oder Halbleiter angewendet wird, bewegen sich Elektronen zum kälteren Ende und erzeugen eine Potentialdifferenz. Wird das System über einen Stromkreis verbunden, fließt Gleichstrom durch ihn.

Daher erzeugen TE-Materialien basierend auf dem Seebeck-Effekt eine Spannung, wenn sie einer Temperaturdifferenz über ihre Enden ausgesetzt werden. Werden sie zwischen einem Solarabsorber und einem Wärmeableiter positioniert, um eine Temperaturdifferenz zu erzeugen und Leistung zu erzeugen, werden sieals solarthermoelektrische Generatoren (STEGs) bezeichnet.

Die thermisch-elektrische Umwandlungseffizienz dieser STEGs wird bestimmt durch die dimensionslose Gütezahl (ZT) des TE-Materials und die Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Seite des Geräts.

Infolgedessen besitzen Solarabsorber von STEGs ein viel breiteres Absorptionsband, das die Photonenergie des gesamten Sonnenspektrums nutzbar macht, im Gegensatz zu Solar‑PV, die nur ein enges Band des Sonnenlichts nahe der Halbleiterbandlücke verwenden können. Ihre thermoelektrischeEffizienz ist jedoch sehr gering.

Wie die jüngste Forschung feststellte, liegt der ZT-Wert von TE-Materialien immer noch bei etwa eins, selbst nach jahrzehntelanger intensiver Forschung. ZT ist ein Schlüsselmaß zur Bewertung der Leistung von thermoelektrischen Materialien; ein höherer ZT-Wert weist auf ein effizienteres thermoelektrisches Material zur Stromerzeugung aus einer gegebenenTemperaturdifferenz hin.

Der Mangel an hocheffizienten thermoelektrischen (TE) Materialien und kompakten Wärmesenken zur Wärmeabfuhr begrenzt die kommerzielle Einführung von STEGs.

Um diese Probleme zu lösen, hat ein Forscherteam eine Strategie entwickelt, die das Gewicht reduzierte und die Leistungsproduktion steigerte.

Neue Techniken für die Erstellung dieses leistungsstärkeren STEG-Geräts sind detailliert in einer Studie¹ veröffentlicht in Light: Science and Applications.

“Seit Jahrzehnten konzentriert sich die Forschungsgemeinschaft darauf, die in STEGs verwendeten Halbleitermaterialien zu verbessern, und hat nur bescheidene Fortschritte bei der Gesamteffizienz erzielt.”

– Chunlei Guo, Professor für Optik und Physik sowie Senior Scientist am Rochester’s Laboratory for Laser Energetics.

Er fügte hinzu:

“In dieser Studie berühren wir nicht einmal die Halbleitermaterialien – stattdessen konzentrierten wir uns auf die heiße und die kalte Seite des Geräts. Durch die Kombination einer besseren Sonnenenergieabsorption und Wärmebindung auf der heißen Seite mit einer besseren Wärmeabfuhr auf der kalten Seite erzielten wir eine erstaunliche Effizienzsteigerung.”

Der Schlüssel hier war die spezielle schwarze Metalltechnologie. Im Jahr 2020 zeigte das gleiche Team dass sie durch den Einsatz eines Femtosekunden‑(fs‑)Lasers, das ihnen half, unzerstörbare Metallstrukturen zu erzeugen² einige Monate davor, konnten sie außerdem hoch effiziente Solarstromgeneratoren entwickeln³.

Damals verwandelten sie die glänzende, stark reflektierende Oberfläche eines Metalls in tiefschwarz, nannten es schwarze Metalltechnologie. Mit Femtosekunden‑Laserimpulsen können sie fast jedes Metall tiefschwarz machen.

Das Team experimentierte mit Kupfer, Stahl, Aluminium und Wolfram. Nach der Behandlung mit nanoskaligen Strukturen stellten sie fest, dass Wolfram die höchste Solarabsorptions‑Effizienz aufweist. Sie konnten die Effizienz der thermoelektrischen Produktion im Vergleich zu unbehandeltem Wolfram um 130 % steigern, das üblicherweise als thermischer Solarabsorber verwendet wird.

Auf dieser Basis verwandelten die Forscher dieses Mal ein reguläres Wolfram (W) auf der heißen Seite mithilfe der fs‑Laser‑Verarbeitungstechnik in einen Absorber (W-SSA).

Das Wolfram wurde in ‘schwarzes Metall’ umgewandelt, indem seine Oberfläche tiefschwarz gemacht wurde, wodurch es hoch effizient selektiv Licht im den solaren Wellenlängenbereich absorbiert und gleichzeitig die Wärmeabgabe bei anderen Wellenlängen reduziert.

Dies wurde durch ultraschnelles und präzises Ätzen erreicht, wobei die leistungsstarken fs‑Laserimpulse nanoskalige Strukturen auf der Metalloberfläche erzeugten. Statt also die Halbleitermaterialien selbst zu modifizieren, verbesserte das Team die Fähigkeit der heißen Seite, Sonnenlicht zu absorbieren und Wärme zu speichern.

Eine Gewächshauskammer für selektive Wolfram-Solarabsorber (W-SSA) wurde ebenfalls erstellt, um konvektive Verluste zu reduzieren.

Um ein Mini‑Gewächshaus zu schaffen, wie auf einem Bauernhof, wurde das schwarze Metall mit einem Stück Kunststoff bedeckt. “Sie können die Konvektion und Wärmeleitung minimieren, um mehr Wärme zu speichern und die Temperatur auf der heißen Seite zu erhöhen,” sagte Guo. Das Team konnte den Wärmeverlust um über 40 % reduzieren.

Unterdessen wurde auf der kalten Seite dieselbe Lasertechnik verwendet, um ein reguläres Aluminium (Al) in einen Hochkapazitäts‑Wärmeableiter mit winzigen Strukturen zu verwandeln. Dies erzeugte einen Kühlkörper, um die Wärmeabgabe durch Strahlung sowie Konvektion zu verbessern.

Die Kühlleistung des behandelten Aluminiums war doppelt so hoch wie die eines regulären Al Wärmeableiters.

In all dem, wie wir sahen, spielte die fs‑Laser‑Verarbeitungstechnik eine Schlüsselrolle. Bemerkenswert ist, dass diese Technik nur einen Schritt erfordert und skalierbar ist. Diese einfache subtraktive Technik kann zudemauf eine Reihe von Materialien mit komplexer Geometrie angewendet werden, wie Polymer, Glas, Dielektrika, Halbleiter und Metalle.

Da es sich um einen rein physikalischen Ansatz handelt, ist er zudem umweltfreundlicher als andere Methoden. 

Der Femtosekunden‑Laser (ein Quadrillionstel einer Sekunde) erzeugte eine Reihe von Mikrostrukturen auf Aluminium und Nanostrukturen auf Wolfram.

Durch die Optimierung von Größe und Dichte dieser Strukturen konnten die Forscher die Solarabsorption von W steigern und gleichzeitig die IR‑Emissivität auf der heißen Seite minimieren. Sie erreichten eine Absorptionseffizienz von über 80 % bei erhöhten Temperaturen.

Auf der kalten Seite erhöhten sie die IR‑Emissivität über das vollständige Schwarzkörperstrahlungsspektrum für Aluminium und dessen Oberfläche zur Wärmeabfuhr. Durch diese Maßnahme wurde die Solar‑zu‑Thermal‑Umwandlungseffizienz erheblich verbessert.

Das Team zeigte, wie ihr solarthermoelektrischer Generator (STEG) LEDs weitaus effektiver als bestehende Methoden mit Strom versorgen kann.

Die Technologie, bemerkte Gao, könnte auch zur Stromversorgung von mikroelektronischen Geräten wie Wearables, Smart‑Devices und autonomen Sensoren für das Internet der Dinge (IoT) verwendet werden. Außerdem kann sie als netzunabhängiges erneuerbares Energiesystem in abgelegenen und ländlichen Gebieten dienen.

Wie die Studie feststellte, können STEGs auch in Kombination mit fortschrittlichen Solarenergiesystemen eingesetzt werden, wie spektral trennenden Hybrid‑PV‑TE‑Systemen und kostengünstigen farbstoffsensitiven Solarzellen (DSC), die unter schwachen Lichtbedingungen Strom erzeugen können und damit die Energieausbeute für leistungsintensive Anwendungen verbessern.

Investieren in Solarenergie

Im Bereich der erneuerbaren Energien Nextracker Inc. (NXT ) sticht hervor für seine ein schnell wachsendes Unternehmen.

Mit einer Marktkapitalisierung von 10 Milliarden $,Marktkapitalisierung liegen die NXT-Aktien derzeit bei 67,59 $,ein Anstieg von 85 % dieses Jahres bisher. Noch letzte Woche erreichten die Aktien des Unternehmens ein neues Hoch bei etwa 69 $. Damit beträgt das EPS (TTM) 3,67 und das KGV (TTM) 18,42. Es gibt jedoch keine Dividendenrendite.

Nextracker Inc. (NXT )

Nextracker ist ein Anbieter von Solar‑Technologieplattformen, der elektrische Lösungen, integrierte Nachführsysteme sowie Ertragsoptimierungs‑ und Steuerungssysteme anbietet. Die fortschrittliche Technologie des Unternehmens ermöglicht Solarkraftwerken sich der Bewegung der Sonne am Himmel zu folgen und die Leistung zu optimieren. 

Zu seinen Produkten und Dienstleistungen gehören NX Foundation, NX Horizon, NX Navigator, NX Global, PowerworX, TrueCapture und Services Electrical Balance of System (eBOS).

Diesen Monat hat Nextracker veröffentlicht seinen Nachhaltigkeitsbericht, in dem es eine Gesamtunfallrate (TRIR) von 0,61 verzeichnete und damit das US‑Sicherheitsziel von 1,2 übertraf.

Nextracker stellte NX Foundation Solutions vor, um die Solareinsatzmöglichkeiten über alle Bodentypen hinweg zu verbessern. NX Horizon Low‑Carbon‑Tracker (LCT)-Systeme wurden ebenfalls veröffentlicht, um die CO₂‑Emissionen (tracker‑bezogen) um bis zu 35 % zu senken.

In Bezug auf Treibhausgasemissionen und Ressourceneffizienz hat das Unternehmen sich verpflichtet, Ziele im Einklang mit dem weltweit anerkannten Rahmenwerk (SBTi) zu setzen, seinen ersten Task Force Climate Financial Disclosure (TCFD)-Index veröffentlicht, eine Drittanbieter‑Bestätigung für seine Scope‑1‑ und Scope‑2‑THG‑Emissionsdaten erhalten und ISO 14001:2015 Zertifizierung für Umweltmanagementsystem in den USA erworben.

Die ISO‑9001‑Zertifizierung wurde ebenfalls für das Qualitätsmanagement in den USA, Indien und Brasilien erreicht.

Inmitten dessen, Nextracker wurde kürzlich ausgewählt von einem der größten Unternehmen für erneuerbare Energien in der südamerikanischen Nation. Casa dos Ventos wählte es aus, um 1,5 GW seiner Solar‑Tracker‑Systeme für ihre vier neuen Projekte in Brasilien bereitzustellen. Diese umfassen Solar‑ und Solar‑und‑Wind‑Hybridprojekte.

“Die Sicherung einer Mehrprojekt‑Verpflichtung von einem führenden Unternehmen für erneuerbare Energien wie Casa dos Ventos spiegelt die wachsende Bedeutung vertrauenswürdiger Partnerschaften im Hinblick auf Leistung und langfristige Zuverlässigkeit in der heutigen Solarbranche wider.”

– Alejo Lopez, Vizepräsident, Nextracker Lateinamerika

Nextracker hat zudem mit der UC Berkeley zusammengearbeitet, um ein neues Forschungszentrum (das CAL‑NEXT Center for Solar Energy Research) zu gründen, das die Technologie von Solarkraftwerken vorantreiben soll, um zukünftige Energiebedürfnisse zu unterstützen. Das Unternehmen leistete einen Beitrag von 6,5 Millionen $ für die Initiative.

Was die Finanzen des Unternehmens betrifft, Ende letzten Monats, meldete es das erste Quartal des Geschäftsjahres 2026, das am 27. Juni 2025 endete. In diesem Zeitraum erzielte es einen Umsatz von 864 Millionen $, ein Anstieg von 20 % gegenüber dem Vorjahr.

Der GAAP-Bruttogewinn stieg um 19 % gegenüber dem Vorjahr auf 282 Millionen $, während das GAAP-Betriebsergebnis um 16 % auf 186 Millionen $ zunahm. Der bereinigte Bruttogewinn war um 18 % auf 285 Millionen $ gestiegen, und das bereinigte EBITDA um 23 % auf 215 Millionen $. Der Gesamtauftrag von Nextracker für diesen Zeitraum lag über 4,75 Milliarden $.

Es meldete zudem einen operativen Cashflow von 81 Millionen $ und 743 Millionen $ Kassenbestand am Quartalsende, ohne Schulden. Im Laufe dieses Quartals investierte das Unternehmen 86,8 Millionen $ in strategische Akquisitionen zur Unterstützung neuer Wachstumsinitiativen.

“Nextracker lieferte ein weiteres starkes Quartal in allen wichtigen Finanzkennzahlen und verzeichnete weiterhin ein Momentum beim Marktanteil.”

– Gründer und CEO Dan Shugar

Erst letzten Monat kündigte Nextracker die Einführung seiner KI‑ und Robotik‑Geschäftsinitiative an. “Die Skalierung von Solar, um die globale Energienachfrage zu decken, erfordert ein neues Maß an Autonomie bei der Planung und dem Betrieb von Kraftwerken,” sagte der neu ernannte Chief AI and Robotics Officer, Dr. Francesco Borrelli.

Dies erfolgt nach Investitionen von über 40 Millionen $ in Akquisitionen zur Verbesserung der Installation, Zuverlässigkeit und langfristigen Rendite von Solarkraftwerken. Dies umfasst OnSight Technology für autonome Vermessungs‑ und Brandwarnsysteme, SenseHawk IP zur Erstellung hochauflösender 3D‑Bestandskarten von Solarprojektstandorten und Amir Robotics zur Reduzierung ertragsbedingter Verluste durch Bodenbedingungen.

Laut Shugar:

“Mit Millionen von Sensoren und Steuerknoten, die bereits in etwa 100 GW Betriebssystemen in 40 Ländern eingesetzt sind, hat Nextracker eine einzigartige Gelegenheit, KI und Robotik in großem Maßstab zu nutzen.”

Neueste Nextracker Inc. (NXT) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Fazit

Solarenergie ist eine der vielversprechendsten und saubersten Methoden, die Welt mit Energie zu versorgen. Bereits jetzt steigt die Einführung von Solar‑PV rasch, doch natürlich wird der Weg zu erneuerbarer Energie nicht von nur einer einzigen Technologie abhängen.

Hybridsysteme, die Photovoltaik, Thermoelektrik und fortschrittliche Nanomaterialien kombinieren, werden der Schlüssel zur Zukunft der Solarenergie sein.

Während Materialineffizienzen einst die solarthermoelektrische Technologie begrenzten, durchbricht sie nun Barrieren mittels neuartiger Thermomanagement‑ und Nanostrukturierungstechniken. Der jüngste Durchbruch bei STEGs zeigt dass Innovationen auf Material‑ und Strukturebene, nicht nur die Halbleiterleistung, beeindruckende Effizienzsteigerungen ermöglichen und dazu beitragen, den wachsenden Energiebedarf zu decken.

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Referenzen:

1. Xu, T., Wei, R., Singh, S.C., et al. 15‑fache Steigerung der Leistung von solarthermoelektrischen Generatoren durch femtosekunden‑Laser‑Spektral‑Engineering und Thermomanagement. Light: Science & Applications, 14, 268, veröffentlicht am 12. August 2025. https://doi.org/10.1038/s41377-025-01916-9
2. Zhan, Z., ElKabbash, M., Cheng, J., Zhang, J., Singh, S., & Guo, C. Hochschwimmende superhydrophobe Metallassemblage für aquatische Anwendungen. ACS Applied Materials & Interfaces, 11(51), 48512–48517, veröffentlicht am 26. Dezember 2019. https://doi.org/10.1021/acsami.9b15540
3. Jalil, S.A., Lai, B., ElKabbash, M., et al. Spektrale Absorptionskontrolle von femtosekunden‑laserbehandelten Metallen und Anwendung in solar‑thermischen Geräten. Light: Science & Applications, 9, 14, veröffentlicht am 4. Februar 2020. https://doi.org/10.1038/s41377-020-0242-y