Solarzellen der dritten Generation sollen direkt Wasser spalten

Dr. Bernhard Kaiser begutachtet einen Prozessierungsschritt zur Herstellung dünner Katalysatorschichten. Foto: TU Darmstadt, Katrin Binner
Materialwissenschaftler an der TU Darmstadt um Professor Wolfram Jaegermann und Dr. Bernhard Kaiser erforschen die Grundlagen für eine effiziente Art der Wasserstofferzeugung durch direkte Spaltung von Wasser mittels Licht. Die TU-Materialwissenschaftler Wolfram Jaegermann und Bernhard Kaiser erforschen die Grundlagen für eine neuartige Methode zur Speicherung von Energie direkt an der…

Materialwissenschaftler an der TU Darmstadt um Professor Wolfram Jaegermann und Dr. Bernhard Kaiser erforschen die Grundlagen für eine effiziente Art der Wasserstofferzeugung durch direkte Spaltung von Wasser mittels Licht.

Die TU-Materialwissenschaftler Wolfram Jaegermann und Bernhard Kaiser erforschen die Grundlagen für eine neuartige Methode zur Speicherung von Energie direkt an der Solarzelle: durch Abspaltung von Wasserstoff aus Wasser. Die chemische Reaktion findet dabei auf der Zellen-Oberfläche statt.  Mit Dreifachsolarzellen aus Platin und Rutheniumoxid gelang den Forschern bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff bereits eine Effizienz von 9,5 Prozent – ein vielversprechender Anfang.

Bislang sind die Mechanismen der Reaktion aber noch nicht ausreichend verstanden. Dafür ist Detektivarbeit nötig: Welche Materialien eignen sich als Halbleiter, Katalysator oder zur Elektrolyse? Was passiert bei ihrem Zusammenfügen? Welche Einflüsse treten von außen auf?

Die Forschungen sind Teil der Schwerpunktprogramms „Regenerative Erzeugung von Brennstoffen mittels Licht-getriebener Wasserspaltung“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Insgesamt 19 deutsche Forschungseinrichtungen sind daran beteiligt.

Die Idee ist, Energie direkt am Ort chemisch zu speichern. Dafür müssen die Solarzellen aufgerüstet werden – aber wie lässt sich das mit modernen Zellen realisieren, deren Zusammensetzung bereits hochkomplex ist? Die TU-Forscher untersuchen Solarzellen der dritten Generation – mehrschichtige Halbleiterstrukturen, an deren Oberflächen die von Sonnenlicht getriebene Wasserspaltung abläuft.

Die grundsätzliche Idee für diese Art der Energie-Speicherung kommt aus der Natur: Das Blatt einer Pflanze absorbiert Sonnenlicht und nimmt Kohlendioxid aus der Luft und Wasser aus dem Boden auf. Diese werden zu energiereichen Kohlenwasserstoffverbindungen wie Zucker umgewandelt. Die Forscher experimentieren damit, diese Prozesse nachzuahmen – sie entwickeln eine Solarzellen-Technik, die wie künstliche Blätter („Artificial Leaves“) funktionieren. „Die Grundidee ist die Umwandlung von Photonen in chemische Speichermaterialien“, sagt Bernhard Kaiser. „Die künstlichen Zellen bestehen aus Halbleiterelektroden, die die Lichtenergie in elektrische Ladungsträger umwandeln. Statt diese direkt als Strom zu nutzen, sollen die Photoelektroden eingesetzt werden, um an der Oberfläche Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.“ Der entstehende Wasserstoff kann nahe bei der Zelle gespeichert werden. Die Energierückgewinnung erfolgt in einer Brennstoffzelle durch kontrollierte Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff. Es entsteht dabei der Ausgangsstoff das Wasser. Man hat somit einen geschlossenen Kreislauf ohne weitere Abfallprodukte.

Doch so einfach, wie der Prozess klingt, ist er nicht – insbesondere weil die bisherigen Lösungen ineffizient und instabil sind. Und genau da setzen die Forscher an: Sie möchten heraus­finden, wie die beteiligten Prozesse genau funktionieren und welche Material-Kombinationen optimal sind. Um Wasser spalten zu können, benötigt ein Zellensystem eine Spannung von 1,6 bis 1,9 Volt. Eine Silizium-Solarzelle weist 0,7 Volt auf – und damit zu wenig. Das Forschungszentrum Jülich, ein Partner im Schwerpunktprogramm, hat daher mehrere Schichten aus amorphem und mikrokristallinem Silizium zu einer Zelle kombiniert. Diese absorbiert unterschiedliche Wellenlängen des Lichts und erhöht die Photospannung: Eine Vierfachzelle erzeugt zum Beispiel 2,5 V. Damit gelingt die Spaltung von Wassermolekülen.

Den TU-Wissenschaftlern geht es insbesondere um die Erforschung der Wechselwirkungen ­einer solchen Mehrfach-Zelle mit Schutzschichten und Elektrokatalysatoren. Sie entscheiden unter anderem darüber wie elektrisch leitfähig und damit effizient die Zelle ist. Die Darmstädter ermitteln, was auf atomarer Ebene passiert, wenn diese Materialien Lage für Lage im Labor zusammenwachsen. So besitzen die Atome an der Oberfläche einer Schicht andere Eigen­schaften als die Atome des gleichen Materials im Inneren. „Es kommt unter anderem zu Rekonstruktionen an der Oberfläche, also Verschiebungen der Atome und damit zu einer Veränderung der elektronischen Eigenschaften“, sagt Kaiser. „Dies und die hohe Reaktivität mit Molekülen aus der Atmosphäre können zu einer deutlichen Verschlechterung der angestrebten Material­eigenschaften führen.“

Die Detektivarbeit lohnt sich. Bei Dreifachzellen mit Platin als Katalysatorschicht und Rutheniumoxid als Gegenelektrode gelang den Forschern bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff eine Effizienz von 9,5 Prozent. „Das ist eine sehr gute Ausbeute in diesem frühen Stadium der Forschung“, sagt Kaiser. Verbesserungen verspricht er sich dabei, künftig die getesteten Zellen mit Solarzellen aus anderen Materialien zu kombinieren, um bei gleicher Sonnenstrahlung eine noch höhere Effizienz zu erzielen, sowie durch den Ersatz der Edelmetallkatalysatoren.
Neben der Suche nach idealen Photoabsorbern und Elektrokatalysatoren entwickeln die Forscher zudem ein immer besser werdendes Verständnis der den photokatalytischen Systemen zugrunde liegenden elektrochemischen Prinzipien. Mit effizienten und ökonomischen künstlichen Blättern hoffen sie auch, den erzeugten Wasserstoff in einem zukünftigen Energieszenario direkt mit Kohlendioxid zu gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen umwandeln zu können. Diese könnten wie herkömmliche Kohlenwasserstoffverbindungen genutzt werden – damit wäre Wasser sozusagen das Erdöl oder die Kohle der Zukunft.

Das Schwerpunktprogramm 1613 der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit dem Titel „Regenerativ erzeugte Brennstoffe durch lichtgetriebene Wasserspaltung: Aufklärung der Elementarprozesse und Umsetzungsperspektiven auf technologische Konzepte“ läuft seit 2012 und wird bis März 2019 gefördert.
9.1.2019 | Quelle: TU Darmstadt | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH

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