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Wasserstoff aus Sonnenlicht: Neue Rekordeffizienz bei der direkten solaren Wasserspaltung

In einem nachhaltigen Energiesystem wird Wasserstoff sowohl als Speichermedium wie auch als Brennstoff für die Erhaltung der Mobilität eine wichtige Rolle spielen. In einem internationalen Forschungsteam ist es gelungen, den Wirkungsgrad für die direkte so­lare Wasserspaltung, dem ersten Schritt der natürlichen Photosynthese, auf über 19% zu steigern [1]. Sie kombinierten dafür eine Tandem-Solarzelle aus III-V-Halb­leitern mit Rhodium-Nanopartikeln und kristallinem Titandioxid. An der Forschungs­arbeit waren Teams von der TU Ilmenau, dem Fraunhofer Institut für Solare Energie­systeme, dem California Institute of Technology und der University of Cambridge be­teiligt.

Solarenergie steht weltweit in großem Überfluss zur Verfügung – allerdings nicht überall und rund um die Uhr. Ein Lösungsansatz für das Problem der Speicherung und auch der Mobilität besteht darin, Sonnenlicht in Form von „chemischer Energie“ zu speichern - quasi als solar erzeugten Brennstoff. So wie es jede Pflanze macht, gelingt die Photosynthese auch mit künstlichen Systemen auf Halbleiterbasis – konkret geht es also darum, durch künstliche Photosynthese mit Sonnenlicht Wasserstoff zu produzieren.

Bei diesem Prozess spaltet die von der Sonne erzeugte elektrische Leistung in der photo­elekt­rochemischen Zelle, die als eine Art künstliches Blatt angesehen werden kann, Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff auf. Wasserstoff besitzt eine hohe Energiedichte, ist vielseitig verwendbar, ungiftig und könnte fossile Brennstoffe vollends ersetzen. Denn Wasserstoff lässt sich gut speichern und vielseitig nutzen - ob in einer Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom und Wärme oder als Ausgangsbasis für andere Brennstoffe. Kombiniert man Solar­zellen mit Katalysatoren und weiteren funktionalen Schichten zu einer „monolithischen Pho­toelektrode“ aus einem Block, wird die Aufspaltung von Wasser besonders einfach: Dabei befindet sich die Photokathode im wässrigen Medium; sobald Licht auf sie fällt, bildet sich auf der Vorderseite Wasserstoff, auf der Rückseite Sauerstoff.

 

 

 

Aufbau der Photokathode: Licht fällt durch die transparente Schutzschicht (TiO2) mit katalytisch akti­ven Rhodium-Partikeln in die Tandemzelle und Wasser wird in seine Bestandteile zerlegt. Auf der Vorder­seite bildet sich Wasserstoff, auf der Rückseite Sauerstoff.   

Bild: ACS Energy Letters [1]

Bei der Verbrennung des Wasserstoffs wiederum wird kein klimaschädliches Kohlendioxid freigesetzt, sondern lediglich Wasser. Bisher scheitert die Herstellung von „solarem Wasser­stoff“ auf indu­strieller Ebene jedoch an den Kosten. Denn der Wirkungsgrad der künstlichen Photosynthese, also der Energiegehalt des Wasserstoffs bezogen auf den des Lichtes, ist noch immer einfach zu gering, um durch Sonnenlicht erzeugten Wasserstoff wirtschaftlich zu pro­duzieren. Welt­weit forschen wichtigste Wissenschaftsstandorte seit vielen Jahren daran, die Effizienz für künstliche Photosynthese sowie die Stabilität zu erhöhen und die Kosten zu sen­ken. Entschei­dend dazu hat die TU Ilmenau nun wiederholt zusammen mit renommierten Forscherteams beigetragen. 2015 hat sie zusammen mit Partnern die bis dato 17 Jahre beste­hende Bestmarke von 12,4 auf 14 Prozent deutlich erhöht und im Journal Nature Communi­cations veröffentlicht [2]. Nachdem das National Renewable Energy Lab diesen Wert darauf­hin wieder überbieten konnte, hat das Forscherteam den Wirkungsgrad nun jüngst weiter be­eindruckend weit hochgeschraubt und publiziert [1].

Wirkungsgrad 19,3 Prozent

Unter simulierter Sonneneinstrahlung erzielten die Wissenschaftler einen Wirkungsgrad von 19,3 Prozent (in verdünnter wässriger Perchlorsäure), in (neutralem) Wasser immerhin noch 18,5 Prozent. Dies reicht schon nah an den theoretisch maximalen Wirkungsgrad von ca. 23 Prozent heran, der sich mit dieser Kombination von Schichten aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften erreichen lässt. Für die gemeinsam entwickelte, monolithische Photokathode haben die Forscher eine am Fraunhofer ISE entwickelte hocheffiziente Tandem-Zelle aus III‑V-Halbleitern mit weiteren funktionalen Schichten kombiniert.  Die Arbeit zeigt, dass maßgeschneiderte Tandem-Zellen für die direkte solare Wasserspaltung das Potential haben, Wirkungsgrade jenseits von 20 Prozent zu erreichen. Dem Forscherteam gelang es, Verluste,  die durch Lichtreflexion und Absorption an der Oberfläche entstehen können, deutlich zu ver­ringern. Unter anderem darin besteht auch die Innovation. Bereits 2015 konnte das For­schungsteam in einer früheren Zelle einen Wirkungsgrad von über 14 Prozent erreichen, da­mals ein Weltrekord. In dem jüngsten Ansatz wurde die Antikorrosionsschicht durch eine kristalline Titan­dioxid-Schicht ersetzt, die nicht nur hervorragende Antireflexionseigenschaf­ten besitzt, sondern an der auch die Katalysator-Teilchen haften bleiben. Außerdem wurde ein neues elektrochemisches Verfahren genutzt, um die Rhodium-Nanoteilchen herzustellen, die als Katalysatoren für die Wasser­spaltung dienen. Sie messen nur 10 Nanometer im Durch­messer und sind damit optisch nahezu transparent, also ideal geeignet für ihre Aufgabe.

Verbesserungen bei der Stabilität: Lichtdurchlässiger Korrosionsschutz

Die kristalline Titandioxid-Schicht schützt die eigentliche Tandemzelle nicht nur vor Korro­sion, sondern verbessert durch ihre günstigen elektronischen Eigenschaften auch den La­dungstransport. Die Stabilität der Wasser spaltenden Zelle konnte auf knapp 100 Stunden ge­steigert werden - ein großer Fortschritt im Vergleich zu Vorgängersystemen, die bereits nach 40 Stunden korrodiert waren. Dennoch bleibt insbesondere in dieser Hinsicht noch viel zu tun. In den bislang realisierten Bauelementstrukturen bleiben Einbußen in den Leistungsmerkma­len und der Stabilität prekär und unvollständig verstanden. Dies soll nun in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft getragenen und der TU Ilmenau maßgeblich initiierten Konsortium aus fünf Forschungsinstitutionen nachhaltig aufgeklärt werden. Nach der Klärung können neue Kriterien für den Entwurf von funktionalen Grenzflächen, Kontakten und Passi­vierungsschichten ermittelt werden sowie innovative Konzepte zur stabilen Ankopplung ver­fügbarer Katalysatoren unter wechselnden Einsatzbedingungen.

Ziele in Sichtweite: Tandemzellen mit Silizium

Mit der Erfindungsanmeldung “Membranröhrenanordnung für die direkte solare Wasserspal­tung“ erhielt Dr. Matthias May zusammen mit Prof. H.-J. Lewerenz (†) und Prof. Thomas Hannappel im letzten Jahr noch eine Goldmedaille für die TU Ilmenau bei der inter­nationalen Erfindermesse iENA. Dennnoch ist dies Grundlagenforschung an kleinen, hochpreisigen Systemen im Labor. Aber die Forscher sind optimistisch, ausreichende Stabilität und noch höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Ein Ansatz dafür ist die noch bessere Wahl der Bandlü­ckenenergien der beiden Absorbermaterialien in der Tandem-Zelle. Eines der beiden Materia­lien könnte dabei sogar das preisgünstige Silizium sein, das man mit einer ultradünnen Be­schichtung aus III-V-Halbleitern praktisch veredeln könnte. Teams am Fraunhofer ISE und der TU Ilmenau arbeiten daran, Zellen zu entwerfen, in denen III-V-Halbleiter mit dem preis­günstigem Silizium kombiniert werden, was die Kosten erheblich senken könnte. Prognosen zeigen, dass die Erzeugung von Wasserstoff mit Solarenergie und Hocheffizienz-Halbleitern ab einer Effizienz von 15% wirtschaftlich konkurrenzfähig werden könnte; dies entspricht einem Preis pro Kilogramm Wasserstoff von etwa vier US-Dollar.

Die oben beschriebenen Forschungsergebnisse wurden veröffentlicht in:

[1] ACS Energy Letters 3 (2018) 1795
 “Monolithic Photoelectrochemical Device for Direct Water Splitting with 19% Effi­ciency”
W.-H. Cheng, M.H. Richter, M. M. May, J. Ohlmann, D. Lackner, F. Dimroth, T. Hannappel, H.A. Atwater, H.-J. Lewerenz


[2] Nature Communications 6 (2015) 8286
“Efficient direct solar-to-hydrogen conversion by in situ interface transformation of a tandem structure”
M. M. May, H.-J. Lewerenz, D. Lackner, F. Dimroth, T. Hannappel