Neuer Welt­rekord bei der di­rek­ten so­la­ren Was­ser­spal­tung

In einem nachhaltigen Energiesystem wird Wasserstoff als Speicher­medium eine wichtige Rolle spielen. Einem inter­natio­nalen Forscher­team ist es jetzt gelungen, den Wirkungs­grad für die direkte solare Wasser­spaltung zur Wasser­stoff­gewin­nung auf 19 Prozent zu steigern. Sie kombi­nierten dafür eine Tandem-Solar­zelle aus III-V-Halb­leitern mit Rhodium-Nano­partikeln und kristal­linem Titan­dioxid.

Aufbau der Photokathode: Licht fällt durch die trans­pa­rente Schutz­schicht mit kata­ly­tisch aktiven Rhodium-Partikeln in die Tandem­zelle. (Bild: W.-H. Cheng et al. / ACS)

Sonnenlicht steht weltweit reichlich zur Verfügung – aller­dings nicht rund um die Uhr. 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 Photo­elek­trode aus einem Block, wird die Auf­spal­tung von Wasser besonders ein­fach: Dabei befindet sich die Photo­kathode im wässr­igen Medium und wenn Licht auf sie fällt, bildet sich auf der Vorder­seite Wasser­stoff, auf der Rück­seite Sauer­stoff.

Für die hier untersuchte monolithische Photokathode haben die Forscher eine am Fraun­hofer-ISE ent­wickelte hoch­effi­ziente Tandem-Zelle 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. „Darin besteht auch die Inno­va­tion“, erläutert Hans-Joachim Lewerenz vom Caltech in den USA. „Denn bereits 2015 konnten wir in einer früheren Zelle einen Wirkungs­grad von über 14 Prozent erreichen, damals ein Welt­rekord. Hier haben wir die Anti­korro­sions­schicht durch eine kristal­line Titan­dioxid-Schicht ersetzt, die nicht nur hervor­ragende Anti­refle­xions­eigen­schaften besitzt, sondern an der auch die Kataly­sator-Teil­chen haften bleiben“.

Sein Caltech-Kollege Harry Atwater ergänzt: „Außerdem haben wir ein neues elektro­chemisches Ver­fahren genutzt, um die Rhodium-Nano­teil­chen herzu­stellen, die als Kata­lysa­toren für die Wasser­spaltung dienen. Sie messen nur zehn 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 ver­dünnter wäss­riger Per­chlor­säure, in neutralem Wasser immer­hin noch 18,5 Prozent. Das 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 Titandioxid-Schicht schützt die eigentliche Solar­zelle nicht nur vor Korro­sion, sondern ver­bessert durch ihre günstigen elek­tro­nischen Eigen­schaften auch den Ladung­strans­port“, sagt Matthias May, der einen Teil der Experi­mente zur Effi­zienz­bestim­mung am HZB-Institut für solare Brenn­stoffe durch­ge­führt hat. „Die Stabi­lität konnten wir auf knapp hundert Stunden steigern. Das ist ein großer Fort­schritt im Ver­gleich zu Vor­gänger­systemen, die bereits nach vierzig Stunden korro­diert waren. Dennoch bleibt hier noch viel zu tun.“

Denn noch handelt es sich um Grundlagenforschung an kleinen, hoch­prei­sigen Systemen im Labor. Aber die Forscher sind opti­mis­tisch. „Diese Arbeit zeigt, dass maß­ge­schnei­derte Tandem-Zellen für die direkte solare Wasser­spaltung das Poten­zial haben, Wirkungs­grade jen­seits von zwanzig Prozent zu erreichen“, erklärt Thomas Hannappel von der TU Ilmenau. „Ein Ansatz dafür ist die noch bessere Wahl der Band­lücken­energien der beiden Absorber­materi­alien in der Tandem-Zelle. Und eines der beiden könnte dabei sogar Silizium sein.“ Teams am Fraun­hofer-ISE und der TU Ilmenau arbeiten daran, Zellen zu ent­werfen, in denen III-V-Halb­leiter mit dem preis­güns­tigem Silizium kombi­niert werden, was die Kosten erheb­lich senken könnte. (Quelle: HZB / pro-physik.de)

Referenz: W.-H. Cheng et al.: Monolithic Photoelectrochemical Device for Direct Water Splitting with 19% Efficiency, ACS Energy Lett., online 25. Juni 2018; DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00920

Links: Joint Center for Artificial Photosynthesis, California Institute of Technology, Pasadena, USA • Institut für solare Brennstoffe, Helmholtz-Zentrum Berlin • Photovoltaik (T. Hannappel), Institut für Physik, Technische Universität Ilmenau

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