Rekord-Wirkungsgrad mit Sonnenenergie

Solar-Rekord: Bei der Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht ist einem internationalen Forscherteam ein zuvor unerreichter Wirkungsgrad gelungen. Damit lässt sich Sonnenenergie nicht nur nutzen, sondern auch effizienter als bisher speichern, wie die Wissenschaftler im Magazin „Science“ schreiben. Ein weiterer Riesenvorteil: Die verwendeten Materialien sind kostengünstig und reichlich vorhanden.

Solarzellen sind eine der vielversprechendsten regenerativen Energiequellen der Zukunft: Sie gewinnen Strom, ohne schädliche Abgase zu produzieren, und die eigentliche Energiequelle wird noch einige Milliarden Jahre weiterbrennen. Aus diesem Grund ist Solarenergie zunehmend beliebter und verbreiteter. Allerdings gibt es bislang auch noch einige Probleme: Der Wirkungsgrad der Zellen ist relativ niedrig, es wird also nur ein geringer Anteil der einfallenden Energie auch genutzt. Außerdem lässt sich erzeugte Elektrizität nicht sehr effizient speichern, so dass weitere Anteile verloren gehen. Hinzu kommen die hohen Preise für verschiedene Materialien zur Produktion.

Wasserstoff aus gespaltenem Wasser

Wissenschaftler um Jingshan Luo von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne haben mit günstigeren Materialien experimentiert, um diese Probleme zu umgehen. Sie verwenden Solarenergie, um Wasser in elektrochemisch in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Wasserstoff gilt seit längerem als vielversprechender Energieträger: Er lässt sich im Gegensatz zu elektrischem Strom recht einfach speichern, und dient als effizienter Brennstoff. An Abgasen fällt bei seiner Verbrennung nur Wasser an, aus dem er zuvor auch gewonnen wurde.

Besonderen Erfolg hatten Luo und Kollegen als sie Solarzellen auf Basis des Minerals Perovskit mit Eisen- und Nickel-Elektroden zur Wasserspaltung kombinierten: Insgesamt 12,3 Prozent der Energie des gesammelten Sonnenlichts befanden sich hinterher im gewonnenen Wasserstoff. Was sich zunächst nach nicht besonders viel anhört, ist in der Tat ein neuer Rekordwert für den Wirkungsgrad einer solchen Apparatur.

Erfolsgeheimnis Perovskit

„Sowohl der Perovskit für die Zellen als auch die Eisen- und Nickel-Katalysatoren für die Elektroden erfordern Rohstoffe, die auf der Erde häufig vorkommen und außerdem billig sind“, erklärt Luo. „Aber unsere Elektroden funktionieren genauso gut wie die teuren auf Platin-Basis, die normalerweise benutzt werden.“ Der Erfolg ist sichtbar: Sobald Licht auf die Solarzellen fällt, beginnt das Gas an den Elektroden heftig zu sprudeln.

Das Erfolgsgeheimnis liegt im verwendeten Perovskit: Solarzellen aus diesem Material erzeugen eine Spannung von über einem Volt, während Siliziumzellen bereits bei 0,7 Volt aufgeben. „Eine Spannung von 1,7 Volt oder mehr ist nötig, um Elektrolyse von Wasser zu betreiben und verwendbare Gase zu produzieren“, erklärt Luo. Dazu sind drei oder mehr Siliziumzellen nötig, bei den Perovskitzellen reichen dagegen bereits zwei. „Das ist das erste Mal, dass wir Wasserstoff durch Elektrolyse mit nur zwei Zellen erhalten!“ freut sich Luo. Und zukünftige Modelle sollen den Wirkungsgrad sogar noch weiter in die Höhe treiben, versprechen die Forscher.

(Science, 2014; doi: 10.1126/science.1258307)

(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, 26.09.2014 – AKR)