Die Thermophotovoltaik hat im Vergleich zur normalen Photovoltaik mit Sonnenlicht einen weiteren Freiheitsgrad: Sie kann auch nach Materialien suchen, die ein besseres Spektrum für die Umwandlung von Licht liefern, anstatt nur nach Möglichkeiten, das vorgegebene Licht besser in Strom umzuwandeln.

Um ein schmales Spektrum zu erhalten, reicht es nicht aus, einen Gegenstand nur aufzuheizen. Das Resultat wäre ein breites Spektrum so ähnlich wie das Sonnenlicht, nur im infraroten Bereich. Es ist das Spektrum der Schwarzkörperstrahlung aus dem Physikunterricht in der Schule, das für jede Temperatur gleich aussieht, nur nach links oder rechts verschoben.

Die ideale Schwarzkörperstrahlung gibt es aber nur in der Schule. In der Praxis gibt es immer Abweichungen davon, die ausgenutzt werden können. Ein Beispiel dafür ist die alte Glühbirne mit Wolframdraht. Wolfram ist nicht nur sehr temperaturbeständig, es hat auch einen niedrigeren Emissionskoeffizienten im infraroten Teil des Lichts als im sichtbaren Licht.

Bei der gleichen Temperatur emittiert Wolfram deswegen weniger infrarotes Licht und dafür mehr sichtbares Licht, als es ein idealer schwarzer Körper tun würde. Dadurch verbrauchen Glühdrähte aus Wolfram bei gleicher Helligkeit weniger Strom als andere Materialien. Weil ein Teil der infraroten Strahlung unterdrückt wird, hat Wolfram damit aber auch ein schmaleres Emissionsspektrum. Das ist für das bloße Auge kaum sichtbar, sorgt aber für weniger Energieverbrauch bei der Erzeugung von sichtbarem Licht.

Künstliche Materialien sind besser als Wolfram

Die ersten Konstruktionen, mit denen Strom aus Sonnenlicht mit Thermophotovoltaik erzeugt werden sollte, bestanden dann auch aus Wolfram, das mit konzentriertem Sonnenlicht aufgeheizt wurde. Das Resultat war eine Effizienz von einem Prozent. Das war immerhin 40-mal so gut wie bei früheren Experimenten, aber auf keinen Fall befriedigend. Zu viel Energie ging durch Reflexion verloren und auch durch Emission zurück an die Umwelt.

Statt zufällige Materialeigenschaften zu benutzen, mussten also gezielt bessere Absorber und Emitter konstruiert werden. Vor fünf Jahren präsentierte etwa eine Forschergruppe vom MIT einen recht einfachen Ansatz mit mehreren Schichten aus einem Verbundwerkstoff aus Quarz und Wolfram. Durch passende Auswahl der Schichtdicken konnten sie damit auf der einen Seite des Materials die Absorption und auf der anderen Seite die Emission von Licht optimieren. Die theoretische Effizienz des Gesamtsystems könnte dadurch immerhin etwa 10 Prozent erreichen. In der Praxis haben sie aber nach besseren Lösungen gesucht.