Interview mit Prof. Thomas Hannappel über die Entschlüsselung von Grenzflächen für die nachhaltige Energieversorgung der Zukunft | März 2021

Prof. Thomas Hannappel, Leiter des Fachgebiets Grundlagen von Energiematerialien und Stellvertretender Direktor des Thüringer Energieforschungsinstitut (ThEFI), im Gespräch mit Barbara Aichroth über die Bedeutung der Energieforschung an der TU Ilmenau.

 

"Dies könnte in naher Zukunft ein entscheidender Baustein für eine 'Green Economy' sein"

Porträtfoto Prof. Hannappel vor beschriebener TafelTU Ilmenau/Christoph Gorke

Herr Professor Hannappel, Sie beschäftigen sich als Physiker bereits seit rund zehn Jahren an der TU Ilmenau mit den Grundlagen von Energiematerialien, insbesondere mit den immer komplexer werdenden Strukturen von Halbleitern und deren Grenzflächen. Warum sind diese Strukturen für die Energieforschung so wichtig?

Hannappel: Halbleitermaterialien sind in der Tat ganz entscheidend für die Umwandlung von Sonnenenergie in andere Energieformen wie z.B. elektrische Leistung, die in einer gewöhnlichen Solarzelle erzeugt wird. Die Absorption von Sonnenenergie im Halbleiter und deren Umwandlung in sogenannte 'Freie Energie' ist der erste, ganz entscheidende Schritt zur Solarenergiekonversion – entscheidend dafür, ob wir überhaupt effizient werden können.

Für sehr kurze Zeit wird dann die absorbierte Sonnenlichtenergie im Halbleiter gespeichert und kann dann im einfachsten nächsten Schritt als elektrische Energie 'entnommen' werden. Dabei helfen unterschiedliche funktionale Halbleiterschichten und -strukturen´, z. B. bei der sogenannten Ladungstrennung. Von unserem Thüringer Nobelpreisträger Herbert Krömer ist der Ausspruch geprägt "the interface is the device", d.h. die Herausforderung sind die Grenzflächen. Wir können also mit geeigneten funktionalen Halbleiterschichten und Grenzflächen nacheinander Licht absorbieren, verschiedene Ladungsträger, sogenannte Elektronen und Löcher, voneinander trennen, sie als Ladungsstrom dem Halbleiter entnehmen und somit elektrische Energie generieren – all das machen die Solarzellen.

Für die solare Brennstofferzeugung folgt nun ein weiterer Schritt: Die Ladungsträger werden vom Halbleiter in die wässrige Lösung, den Elektrolyten, überführt, oxidieren dort an der Anode das Wasser, reduzieren auf der anderen Seite an der Kathode H+-Ionen und … es entsteht Sauerstoff an der Anode und Wasserstoff an der Kathode.

Es gibt an allen Stellen viel zu tun: Mit sogenannten Tandemzellen kann man eine höhere Effizienz erreichen als mit ganz normalen Solarzellen. Mit dreidimensionalen Halbleiterstrukturen kann man viele weitere Eigenschaften verändern und wertvolle Inhaltstoffe wie Indium oder Gallium einsparen. Wir können nicht nur Wasser 'spalten', sondern auch CO2, und somit künstliche Blätter nachbilden, die viel effizienter sind als die natürliche Variante.

 

Im Verbundprojekt DEPECOR, das von der TU Ilmenau koordiniert wird, geht es genau darum, das heißt um die Reduktion von CO2 und die Erzeugung von höherwertigen Brennstoffen durch künstliche Photosynthese, deren Nachahmung ja auch als „Heiliger Gral“ der Photoelektrochemie bezeichnet wird. Wie genau funktioniert dieser Prozess und warum ist er so bedeutsam?

Hannappel: Mit dem prinzipiellen Aufbau solch einer photoelektrochemischen Zelle können wir auch CO2 zerlegen. Das Projekt DEPECOR (Direkte effiziente photoelektrokatalytische CO2 Reduktion) zielt auf die Reduktion des in die Atmosphäre gelangenden CO2 mittels eines geschlossenen Kohlenstoff-Kreislaufs mit Hilfe eines künstlichen Blatts. Darin beabsichtigen wir mit unseren Verbundpartnern die Entwicklung eines Prototypen, der CO2 durch nicht-assistierte, direkte, Sonnenlicht-induzierte Photoelektrochemie in einem integrierten Bauteil effizient reduziert und in Kohlenwasserstoffe als Energieträger umwandelt, die dann leichter zu handhaben oder auch flüssig sein können.

Um dies effizient zu machen, benötigen wir Tandemzellen, d.h. Zellen mit sogenannten Multiabsorberstrukturen, welche das Sonnenlicht optimal ausbeuten und gleichzeitig die nötige 'Freie Energie' bereitstellen, ähnlich wie es die Natur auch macht. Dort spricht man nicht von Tandemstrukturen, sondern vom sogenannten Z-Schema, das aber analog funktioniert. In einer solchen Zelle zur CO2-Reduktion wird auf der einen Seite wieder Wasser oxidiert und auf der anderen CO2 zu höherwertigen Brennstoffen zerlegt.

Aufbau einer Photokatode mit hoch effizienter Tandemzelle (© ACS Energy Letters 3 (2018) 1795)

Das heißt, diese Prozesse könnten langfristig Weltprobleme wie eine nachhaltige Energieversorgung, Speicherung und Mobilität lösen und den Weg zu einer „Green Economy“ ebnen?

Hannappel: Ja, so ist es. Solche Bauelemente wären beliebig skalierbar, ähnlich wie Solarzellen, und dezentral einsetzbar. Wie Sie schon sagen, wäre neben der regenerativen Energiewandlung auch die Speicherung von Energie zur Systemstabilisierung gewährleistet. Für die Mobilität ist Wasserstoff selbst prinzipiell einsetzbar, ist aber auch Basis für die elektrochemische Wandlung in höherwertige, auch flüssige Brennstoffvarianten.
Nehmen wir an, wir wären damit ähnlich erfolgreich wie mit der rasanten Entwicklung der Photovoltaik, so könnte dies in naher Zukunft ein entscheidender Baustein für eine "Green Economy" sein.  

 

Der Spiegel hat kürzlich geschrieben: „…doch die Sache hat einen entscheidenden Haken: Die Umwandlung von Ökostrom in Wasserstoff ist nicht besonders effizient, etwa vier Fünftel der Energie gehen dabei verloren. Das führt […] dazu, dass Wasserstoff weit davon entfernt ist, wettbewerbsfähig zu sein. Inwiefern kann Ihre Forschung zur Lösung dieses Problems beitragen?

Hannappel: Die Photovoltaik hat sich seit den 80ern ungeheuer schnell entwickelt, insbesondere in den letzten zehn bis fünfzehn Jahren. Dabei ist der Preis für Solarmodule um mehr als zwei Größenordnungen (!) gefallen, von über 20 EUR pro Watt(peak) Mitte der 80er auf unter 20 Eurocent heute. Das ist praktisch beispiellos. Das heißt eine ähnlich entmutigende Sichtweise hätte man in den 80ern und 90ern auch auf Solarzellen haben können. Diese Technologie hat sich dann aber weltweit rasend schnell entwickelt und eindeutig durchgesetzt – nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch.

Antizipiert man also eine ähnlich rasante Entwicklung für die künstliche Photosynthese, so wären wir in der Tat damit auf dem Weg, die drängendsten Weltprobleme in absehbarer Zeit endgültig zu lösen. Die bisher erreichte (solar-to-hydrogen) Effizienz von fast 20 % wie in unserer wasserspaltenden Rekordzelle kann sich durchaus schon sehen lassen und ist um ein Vielfaches höher als die der natürlichen Photosynthese.

Gerade sind wir nun, wieder zusammen mit tollen Partnern, im vom BMBF geförderten Projekt H2Demo dabei, die direkte Wasserspaltung industriell weiterzuentwickeln. Es hat zum Ziel, erstmals größere Demonstratoren für die direkte solare Wasserstofferzeugung herzustellen. Besonderes Merkmal dabei ist auch, dass III-V-Halbleitermaterialien auf Silizium abgeschieden werden sollen, als besonders preisgünstige und aussichtsreiche Variante einer Tandemstruktur, und dass außerdem Maschinen mit besonders hohem Durchsatz für eine industrielle Skalierbarkeit entwickelt werden.

 

Welche Rolle spielt dabei die Forschung an der TU Ilmenau?

Hannapel: Die Tandemstruktur, die hier eingesetzt wird, besteht einerseits aus dem Halbleiter Silizium, dem Arbeitspferd der Halbleiterindustrie, und aus sogenannten III-V-Halbleiterverbindungen, die das Silizium in seiner Funktionalität praktisch veredeln. Zusammen ergeben sie eine Tandemstruktur, die nötig ist, um genügend viel 'Freie Energie', d. h. eine genügend hohe Photospannung, für die Wasserspaltung bereitzustellen - und dies mit hoher Effizienz. Mein Fachgebiet 'Grundlagen von Energiematerialien' befasst sich dank Forschungsförderung schon seit Jahren zusammen mit dem Fraunhofer ISE und der Uni Marburg erfolgreich mit der schwierigen Herausforderung, diese beiden Halbleitermaterialien möglichst gut miteinander zusammenzubringen und diesen wichtigen Wachstumsprozess zu verstehen. Dabei muss man sehr präzise vorgehen und hinschauen, sozusagen auf atomarer Skala genau, und das können wir an der TU Ilmenau.

Alleine die Verwirklichung ausreichend guter III-V/Si-Tandemstrukturen wäre schon ein Durchbruch, der sich an vielen anderen Stellen gewinnbringend einsetzen ließe, beispielsweise in preiswerten Solarzellen mit hohen Leistungsmerkmalen.  

Ebenso schauen wir in dem Projekt bei einer weiteren, besonders schwierigen Grenzfläche ganz genau hin, der fest-flüssig-Grenzfläche zwischen Halbleiter und der wässrigen Lösung, dem Elektrolyten. Hier gilt es Stabilität zu erreichen und Korrosion zu verhindern.
Insgesamt kommen eine ganze Reihe von Arbeiten, Möglichkeiten und Erkenntnissen zur Geltung, die wir uns zusammen mit den wichtigen Partnern in Forschungsprojekten erarbeitet und die wir an der TU Ilmenau geschaffen haben.

 

Wie könnte ein in großen Mengen erzeugter Wasserstoff gespeichert und genutzt werden?

Hannappel:Wäre das Ziel erreicht, d.h. die wettbewerbsfähige Wandlung von solarer Wärmestrahlung in Wasserstoffgas, so wären die Möglichkeiten mannigfaltig. Der Wasserstoff könnte in Brennstoffzellen verwendet werden oder auch in Verbrennungsmotoren zu Wasser 'verbrannt' werden für die Mobilität oder die Stabilisierung der Energieversorgung. Ebenso könnte er als technisches Gas an vielen Stellen eingesetzt werden wie in großtechnischen industriellen Verfahren.  

Der Wasserstoff kann dezentral oder in großen Speicherreservoirs gespeichert werden und seine Verteilung kann sowohl in spezifischen Wasserstoffpipelines wie auch in Erdgasnetzen erfolgen oder natürlich in Tankfahrzeugen. Wasserstoff ist außerdem Bestandteil in fast allen Brennstoffen und kann somit als Basisprodukt für weitere Verwertung angesehen werden.

 

Als universitärer Partner im H2Demo-Projekt ist für die TU Ilmenau auch die Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses von großer Bedeutung. Welche Rolle spielt dieser Aspekt im Rahmen des Projekts und Ihrer Forschungen allgemein?

Hannappel: Das ist natürlich ein äußerst wichtiger Punkt, ein tolles Thema, um junge Leute, insbesondere auch junge Frauen, für Wissenschaft und Technik zu begeistern. Da das Thema in seiner gesamten Komplexität sehr interdisziplinär ist, spielen hier praktisch alle Themen an der TU Ilmenau eine Rolle – die Physik und Chemie natürlich, aber auch z. B. Werkstoffe, der Maschinenbau, Elektrotechnik und vieles mehr.

Und das Thema ist zukunftsausgerichtet, mit wissenschaftlich herausfordernden und herausragenden Themen wie z. B. der Katalyse. Der Studiengang 'Regenerative Energietechnik' passt natürlich dazu wie die Faust aufs Auge, auch wenn selbst hier nicht das gesamte wissenschaftliche Spektrum, das zur Lösung der wissenschaftlichen Herausforderungen notwendig ist, behandelt werden kann. Man bewegt sich bei vielen Fragestellungen, die für den Nachwuchs hochattraktiv sind, an spannenden Grenzen der Forschung.

 

In den Projekten DEPECOR und H2Demo arbeiten Sie wie bereits in vergangenen Projekten mit den besten Wissenschaftlern aus Deutschland und den USA zusammen, darunter auch das weltweit führende Joint Center for Artificial Photosynthesis in Kalifornien (USA) sowie mehrere Industriepartner. Wie ergänzen und unterstützen sich die Partner und was versprechen Sie sich von der Zusammenarbeit?

Hannappel: Wir sind nun schon seit einigen Jahren in intensivem Austausch, u.a. mit dem California Institute of Technology, CalTech, wo wir mit Prof. Harry Atwater und seinem Team ja auch die gegenwärtig weltbeste Zelle für direkte Wasserspaltung verwirklicht haben. Dieser Austausch soll fortgeführt und erweitert werden zwischen beiden Ländern, Deutschland und USA, und daran arbeiten wir gegenwärtig intensiv. Es geht um die Erweiterung von Möglichkeiten, von Erkenntnis, den Austausch von Wissenschaft. Natürlich geht es genauso national um Wissens- und Technologietransfer, z. B. an das Fraunhofer ISE bzw. an die Industrie wie die Firma Azur Space Solar Power GmbH oder den Kooperationspartner Helmholtz-Zentrum Berlin.

 

Inwiefern ist die Forschung in diesem Bereich auch für verwandte Technologien wichtig?

Hannappel: Aufgrund der Komplexität der wissenschaftlichen Herausforderungen gibt es eine ganze Reihe von Errungenschaften, die bei einer erfolgreichen Verwirklichung gleichzeitig abfallen würden. Darunter zählen katalytische Prozesse an Grenzflächen, die z. B. auch bei der Kopplung von Elektrolyseuren mit der elektrischen Bereitstellung von Energie (Power-to-X) kritisch sind, opto-elektronische Bauelemente wie Tandemsolarzellen, elektrochemische Prozesse wie in Batterien, die Entdeckung neuer Materialien und Materialstrukturen für die gesamte Optoelektronik und die Sensorik und vieles mehr. Eine Vielzahl von spannenden Forschungsthemen tragen zu dem Thema bei, in die wir auch selbst in Kooperationen und Projekten involviert sind, wie die Nanodrahttechnologie, neue Analysemethoden und Wachstumsstudien – allesamt Themen, an welchen wir neben dem allgemeinen Thema der Solarenergiekonversion in unserem Fachgebiet viel Forschungsfreude haben.

 

Herr Professor Hannappel, vielen Dank für das Gespräch!