Weltrekord bei der solaren Wasserspaltung

Wasserstoff aus Sonnenlicht: Forscher haben einen neuen Rekord bei der Wasserstoffgewinnung aus Wasser und Licht erzielt. Es gelang ihnen, den Wirkungsgrad für die direkte solare Wasserspaltung auf 19 Prozent zu steigern. Das klingt nicht viel, liegt aber nahe am maximal mit solchen Systemen Erreichbaren. Möglich wurde dies durch eine Tandem-Solarzelle kombiniert mit Rhodium-Nanopartikeln und kristallinem Titandioxid.

Die Photovoltaik boomt und gilt als wichtige Säule bei der künftigen Energieversorgung. Das Problem jedoch: Die Sonneneinstrahlung schwankt stark und damit auch die Solarstrom-Produktion. Damit die Stromnetze durch diese Fluktuationen nicht überfordert werden und die Solarstromversorgung möglichst gleichmäßig erfolgt, sind Forscher weltweit auf der Suche nach effektiven Energiespeichern.

Wasserspaltung als Puffer

Ein vielversprechender Ansatz ist die Produktion von Wasserstoff durch die solare Wasserspaltung. Dabei liefert das Sonnenlicht die Energie für die chemische Trennung von H2O in Sauerstoff und Wasserstoff. Letzterer kann dann zu beliebiger Zeit als Brennstoff eingesetzt werden und so die in ihm gespeicherte Energie wieder freisetzen.

Um Solarenergie direkt für die Wasserspaltung nutzen zu können, kombiniert man eine Solarzelle mit speziellen Katalysatoren. Dabei befindet sich die Photokathode im wässrigen Medium und wenn Licht auf sie fällt, bildet sich auf der Vorderseite Wasserstoff, auf der Rückseite Sauerstoff.

Das Problem jedoch: Bisher waren die Wirkungsgrade dieser direkten solaren Wasserspaltung eher gering – sie erreichten bisher maximal zwölf bis 14 Prozent. Die Gründe dafür liegen unter anderem am hohen Verlust von Strahlungsenergie durch Reflexion, aber auch an noch nicht optimalen Photokatalysatoren.

Aufbau der Photokathode: Licht fällt durch die transparente Schutzschicht mit katalytisch aktiven Rhodium-Partikeln in die Tandemzelle. © ACS Energy Letters

Titandioxid und kleinere Katalysatoren

Jetzt ist es einem Team um Hans-Joachim Lewerenz vom California Institute of Technology gelungen, den bisherigen Rekord zu überbieten. Dafür haben sie eine am Fraunhofer ISE entwickelte hocheffiziente Tandem-Solarzelle aus sogenannten III-V-Halbleitern mit weiteren funktionalen Schichten kombiniert. Dadurch gelang es ihnen, die Verluste durch Lichtreflexion und Absorption an der Oberfläche deutlich zu verringern.

„Darin besteht auch die Innovation“, erläutert Lewerenz: „Wir haben die Antikorrosionsschicht durch eine kristalline Titandioxid-Schicht ersetzt, die nicht nur hervorragende Antireflexionseigenschaften besitzt, sondern an der auch die Katalysator-Teilchen haften bleiben.“ Die kristalline Titandioxid-Schicht verbessert dadurch den Ladungstransport, schützt aber gleichzeitig die Solarzelle vor Korrosion.

Eine weitere Neuerung sind Katalysatoren aus Rhodium-Nanoteilchen, die nur rund zehn Nanometer klein sind. „Sie sind damit optisch nahezu transparent, also ideal geeignet für ihre Aufgabe.“, erklärt Lewerenz‘ Kollege Harry Atwater.

Wirkungsgrad rund 19 Prozent

Erste Tests ergaben: Unter simulierter Sonneneinstrahlung erzielten das optimierte System einen Wirkungsgrad von 19,3 Prozent in verdünnter wässriger Perchlorsäure und von 18,5 Prozent in neutralem Wasser – ein neuer Weltrekord. Zudem kommen diese Werte nah an den theoretisch maximalen Wirkungsgrad von 23 Prozent heran, der sich mit dieser Kombination von Schichten aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften erreichen lässt, wie die Forscher berichten.

„Diese Arbeit zeigt, dass maßgeschneiderte Tandemzellen für die direkte solare Wasserspaltung das Potential haben, Wirkungsgrade jenseits von 20 Prozent zu erreichen“, erklärt Koautor Thomas Hannappel von der TU Ilmenau. Dennoch bleibe bis dahin noch viel zu tun. Denn die bisherigen Systeme sind eher kleine Prototypen, die mit hohen Kosten verbunden sind. Die Forscher arbeiten aber bereits an Zellen, in denen die III-V-Halbleiter mit preisgünstigem Silizium kombiniert werden, was die Kosten erheblich senken könnte. (ACS Energy Letters, in press)

(Technische Universität Ilmenau, 06.07.2018 – NPO)