Forschung & Entwicklung

Spitzenwert bei der direkten solaren Wasserspaltung

Der Wirkungsgrad für die direkte solare Wasserspaltung zur Wasserstoffgewinnung konnte durch die Kombination einer Tandemsolarzelle aus III-V-Halbleitern mit Rhodiumnanopartikeln und kristallinem Titandioxid auf 19 Prozent gesteigert werden.

Sonnenlicht steht nicht rund um die Uhr zur Verfügung. Ein Lösungsansatz besteht darin, Sonnenlicht in Form von chemischer Energie zu speichern, konkret: mit Sonnenlicht Wasserstoff zu produzieren. Denn Wasserstoff lässt sich gut speichern und vielseitig nutzen, ob in einer Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom und Wärme oder als Ausgangsbasis für Brennstoffe. Kombiniert man Solarzellen mit Katalysatoren und weiteren funktionalen Schichten zu einer monolithischen Fotoelektrode aus einem Block, wird die Aufspaltung von Wasser besonders einfach: Dabei befindet sich die Fotokathode im wässrigen Medium und wenn Licht auf sie fällt, bildet sich auf der Vorderseite Wasserstoff, auf der Rückseite Sauerstoff.

Für die hier untersuchte monolithische Fotokathode haben die Forscher eine am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelte Tandemzelle aus III-V-Halbleitern mit weiteren funktionalen Schichten kombiniert. Dabei gelang es ihnen, die Verluste durch Lichtreflexion und Absorption an der Oberfläche deutlich zu verringern. Bereits 2015 konnten die Forscher in einer Zelle einen Wirkungsgrad von über 14 Prozent erreichen. Nun haben sie die Antikorrosionsschicht durch eine kristalline Titandioxidschicht ersetzt, die nicht nur hervorragende Antireflexionseigenschaften besitzt, sondern an der auch die Katalysatorteilchen haften bleiben. Professor Harry Atwater vom California Institute of Technology erklärt: „Außerdem haben wir ein neues elektrochemisches Verfahren genutzt, um die Rhodiumnanoteilchen 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.“

Unter simulierter Sonneneinstrahlung erzielten die Wissenschaftler einen Wirkungsgrad von 19,3 Prozent (in verdünnterwässriger Perchlorsäure), in Wasser immerhin noch 18,5 Prozent. Dies reicht schon nah an den theoretisch maximalen Wirkungsgrad von 23 Prozent heran, der sich mit dieser Kombination von Schichten aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften erreichen lässt.

Die kristalline Titandioxidschicht schütze die eigentliche Solarzelle nicht nur vor Korrosion, sondern verbessere durch ihre elektronischen Eigenschaften auch den Ladungstransport, sagt Dr. Matthias May vom Institut für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin. „Die Stabilität konnten wir auf knapp 100 Stunden steigern; das ist ein großer Fortschritt im Vergleich zu Vorgängersystemen, die bereits nach 40 Stunden korrodiert waren“, erklärt May.

Noch ist dies Grundlagenforschung an kleinen, hochpreisigen Systemen im Labor. Aber die Forscher sind optimistisch: „Diese Arbeit zeigt, dass maßgeschneiderte Tandemzellen für die direkte solare Wasserspaltung das Potenzial haben, Wirkungsgrade jenseits von 20 Prozent zu erreichen. Ein Ansatz dafür ist die noch bessere Wahl der Bandlückenenergien der beiden Absorbermaterialien in der Tandemzelle. Und eines der beiden könnte dabei sogar Silizium sein“, erklärt Professor Thomas Hannappel von der Technischen Universität Ilmenau.

Originalveröffentlichung:

[W.-H. Cheng, M. H. Richter, M. M. May, J. Ohlmann , D. Lackner , F. Dimroth, T. Hannappel , H. A. Atwater , H.-J. Lewerenz, Monolithic Photoelectrochemical Device for Direct Water Splitting with 19% Efficiency, ACS Energy Lett. 3 (2018), DOI:10.1021/acsenergylett.8b00920]

von mn

www.helmholtz-berlin.de

www.tu-ilmenau.de

www.ise.fraunhofer.de

www.cam.ac.uk

www.caltech.edu

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