Sonne tanken, billig und stabil

Die Raster­elektronen­mikroskopie (links) zeigt den Querschnitt durch die Komposit-Photokathode. Eine TEM-Analyse (rechts) macht die Platin-Partikel im TiO2 sichtbar. (Bild: HZB)

Die Raster­elektronen­mikroskopie (links) zeigt den Querschnitt durch die Komposit-Photokathode. Eine TEM-Analyse (rechts) macht die Platin-Partikel im TiO2 sichtbar. (Bild: HZB)

Weltweit arbeiten Forschungs­gruppen mit Hoch­druck daran, kompakte, robuste und preis­werte Systeme zu ent­wickeln, die Sonnen­licht in Wasser­stoff umwandeln. Doch das ist nicht einfach: Denn die Wasser­stoff­erzeu­gung funk­tio­niert am besten in saurer Umge­bung, in der Solar­zellen rasch korro­dieren. Und Elek­troden, die die Reaktion beschleu­nigen, bestehen bis­lang aus extrem teuren Ele­menten wie Platin oder Platin-Iridium-Ver­bindungen.

Nun hat ein Team aus dem Ins­titut für Solare Brenn­stoffe des Helm­holtz-Zentrums Berlin im Rahmen des BMBF-Cluster-Projekts „Light2­Hydrogen“ sowie im laufenden DFG-Schwer­­punkt­­programm „Solar H2“ eine neuartige Photo­elek­trode entwickelt, die diese Probleme löst: Sie besteht aus dem Solarzell-Material Chalkopyrit, das mit einem dünnen, transpa­renten und leitfähigen Film aus Titan­dioxid beschichtet ist. Die Besonderheit: der Titandioxid-Film ist poly­­kristallin und enthält einen kleinen Anteil an Nanopartikeln aus Platin. Dadurch entfaltet dieses neue Komposit besondere Talente: Es erzeugt erstens bei Licht­einfall eine erhebliche Photo­­­spannung von fast 0,5 Volt, zweitens hohe Photo­strom­dichten von bis zu 38 mA/cm2, beschleunigt drittens als Katalysator die Wasserstoff­bildung und ist viertens vor Korrosion geschützt. Da Titandioxid transparent ist, erreicht ein großes Teil des Lichtes das photoaktive Chalkopyrit, was zu den hohen Photo­­strom­­dichten und damit auch Photo­­spannungen führt, vergleichbar mit einer konven­tionellen Dünnschicht-Solarzelle.

Das Rezept für diese raffinierte Beschichtung hat Anahita Azarpira im Team von Privatdozent Thomas Schedel-Niedrig ausgetüftelt. Sie nutzt ein chemisches Verdampfungs­depositions­verfahren (Spray-ILGAR), das am HZB-Institut für Heterogene Material­­systeme entwickelt und patentiert wurde. Dabei werden chemische Vorprodukte von Titan­dioxid und Platin in Ethanol gelöst und mit Ultra­schall vernebelt. Das so entstehende Aerosol, wird mit Hilfe eines Stickstoffgasstroms über das geheizte Substrat geleitet, so dass mit der Zeit eine feste, poly­kristal­line Schicht auf dem Chalko­pyrit wächst, in die winzige Platin­partikel eingebaut sind.

Azarpira und ihre Kollegen variierten dabei den Platinanteil und untersuchten die Eigenschaften der so entstandenen Komposit-Schicht. Bei einem Volumen­anteil von etwa fünf Prozent Platin in der Precursorlösung erwiesen sich die Eigen­schaften als optimal: „Mehr als achtzig Prozent des einfallenden Sonnenlichts im sichtbaren Spektrum werden in diesem Komposit-System in Photostrom umgewandelt und stehen damit zur Wasser­stoff­­erzeugung zur Verfügung“, sagt Schedel-Niedrig. Das bedeutet, dass kaum Licht verloren geht und die Licht­­ausbeute sehr groß ist. Hinzu kommt die hohe Langzeit­stabilität von über 25 Stunden und die große photo­­elektro­katalytische Aktivität von zirka 690 erzeugten Wasserstoff­molekülen pro Sekunde und pro aktivem Zentrum auf der Katalysator­­oberfläche unter Beleuchtung.

Dennoch gibt es noch viel zu tun. Denn zurzeit kommt ein Großteil der benötigten Spannung von insgesamt rund 1,8 Volt zwischen der Komposit-Photokathode und der Platin-Gegen­elektrode noch aus einer Batterie, der Wirkungsgrad muss also noch verbessert werden. „Wir konnten jedoch mit dieser Arbeit bereits zeigen, dass solche robusten Systeme das Potenzial haben, in Zukunft autark Solarenergie chemisch zu speichern und haben bereits ein Demonstrator-Gerät zur solaren Wasserstoff­­entwicklung zusammen mit einer Schweriner Firma im Rahmen des „Light2Hydrogen“-Projekts realisieren können“, so Schedel-Niedrig. (Quelle: HZB / optik-photonik.de)

Referenz: A. Azarpira et al.: Efficient and Stable TiO2:Pt–Cu(In,Ga)Se2 Composite Photoelectrodes for Visible Light Driven Hydrogen Evolution, Adv. Energy Mater., online 10. April 2015; DOI: 10.1002/aenm.201402148

Links: Institut für Solare Brennstoffe, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und EnergieBMBF-Cluster Projekt „Light2Hydrogen“

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