Durch­bruch bei so­la­rer Was­ser­stoff­er­zeu­gung

Die Rekordzelle für direkte solare Wasserstofferzeugung. Die Effizienz liegt mit 14% deutlich über dem bisherigen, 17 Jahre alten Bestwert. (Bild: TU Ilm. / HZB)

Die Rekordzelle für direkte solare Wasserstofferzeugung. Die Effizienz liegt mit 14% deutlich über dem bisherigen, 17 Jahre alten Bestwert. (Bild: TU Ilm. / HZB)

Weltweit suchen Forscher fieberhaft nach Alternativen zu den zur Neige gehenden herkömm­lichen, fossilen Energieträgern. Den ultimativen Energie­träger sehen viele in Wasserstoff: Er weist eine hohe Energie­dichte auf und bei seiner Verbrennung entsteht als Abfall­produkt nur reines Wasser. Derzeit wird das Gas aber ganz über­wiegend durch Dampf­reformierung von Methan erzeugt, eine alles andere als umwelt­freundliche und nachhaltige Methode. Nahezu ohne schädliche Abfall­produkte lässt sich Wasserstoff hingegen mit der Methode der direkten solaren Wasser­spaltung herstellen. Bei der so genannten künstlichen Photo­synthese ist es Sonnen­energie, die die Photolyse von Wasser antreibt. So wird die Energie des Sonnen­lichts direkt in Wasserstoff umgewandelt, der anschließend wieder zum Ausgangs­produkt Wasser umgesetzt werden kann – ein Kreislauf, der eine saubere und ökologisch nachhaltige Energie­wirtschaft ermöglichen könnte. Im Energiemix der Zukunft haben solche solaren Brenn­stoffe ein ungeheures Potenzial: Noch 2014 lag in Deutschland, dem in der Welt „Energie­wende­land Nr. 1“, der Anteil der erneuer­baren Brennstoffe an der gesamten Energie­produktion bei nicht mehr als elf Prozent. Wissen­schaftler der Elektro­chemie sehen die Methode, Brennstoffe aus Licht zu erzeugen, daher als heiligen Gral zur endgültigen Lösung aller Energieprobleme.

Die Herstellung von „Sonnen-Wasserstoff“ auf industrieller Ebene scheitert aber bisher an den Kosten. Um den Produktions­aufwand finanziell zu recht­fertigen, ist der Wirkungs­grad der künstlichen Photo­synthese, also der Energiegehalt des erzeugten Wasserstoffs bezogen auf den des zugeführten Sonnenlichts, einfach zu gering. Bisher lag die maximale jemals erreichte Effizienz bei 12,4 Prozent, ein Ergebnis, das vor 17 Jahren vom National Renewable Energy Laboratory in den USA erzielt wurde. Schätzt man einen wirt­schaft­lichen Einsatz der solaren Wasser­spaltung im Vergleich mit fossilen Brenn­stoffen ab, so könnte man ab einer Effizienz von etwa 15 Prozent wirtschaft­lich konkurrenz­fähig werden. Seit Jahren forschen daher die wichtigsten Wissen­schafts­standorte der Welt mit viel Geld und Engagement daran, die bestehende Bestmarke für künstliche Photo­synthese von 12,4 Prozent zu steigern. Die Effizienz­steigerung auf 14 Prozent basiert auf der Doktor­arbeit von Matthias May, er arbeitete dabei mit Forschern des Instituts für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin, des Fraunhofer-Instituts für Solare Energie­systeme und des California Institute of Technology zusammen.

Nun gilt es, die Serienproduktion von Hochleistungs-Halbleiter­bau­elementen kosten­günstig zu machen. Der Ilmenauer Professor Thomas Hannappel sieht die Lösung in der Verwendung von Silizium: „Dieses ausgereifte Material eignet sich hervorragend als Basis­substanz für hocheffiziente, kosten­günstige Bauelemente. Es ist fast unbegrenzt verfügbar und besitzt nahezu ideale physikalisch-chemische Eigenschaften.“ Allerdings kommen bei der Verwendung von Silizium in den Bau­elementen Material­gruppen zusammen, die verschiedenen Halbleiter­familien angehören. Bei einer ungenauen Zusammen­führung dieser Materialien sind die Leistungs­einbußen enorm. Die Übergänge von einem Material zum anderen, die Grenzflächen, sind bei der Herstellung von Bauelementen häufig der kritische Punkt, ihre Wechsel­wirkungen stellen die Wissenschaft seit jeher vor Probleme. Doch Hannappel ist sich sicher, diese Aufgabe bewältigen zu können: „Unser Zugang ist besonders, ja weltweit einmalig. Unsere Leistung besteht darin, an den entscheidenden Stellen ganz genau hinschauen zu können. In diesem Fall hieß es, die Oberf­lächen von Halb­leitern gezielt zu manipulieren.“

Die so erzielte Steigerung der Effizienz der künstlichen Photo­synthese ist nicht die erste Weltrekord-Bestmarke des Forscher­teams um Professor Hannappel. Erst im letzten Jahr waren die Ilmenauer Wissen­schaftler an der deutsch-franzö­sischen Entwicklung einer Vierfach-Stapel­solar­zelle mit einem Wirkungs­grad von etwa 45 Prozent entscheidend beteiligt. Keine Solarzelle weltweit kann Sonnen­energie effizienter in Strom umwandeln. Solche Wirkungs­grade sind allerdings mit solarer Wasser­spaltung nicht einmal theore­tisch erreichbar. Hier ist das interna­tionale Team schon sehr weit gekommen. (Quelle: TU Ilm.)

Referenz: M. M. May et al.: Efficient direct solar-to-hydrogen conversion by in situ interface transformation of a tandem structure. Nat. Commun. 6, 8286 (2015); DOI: 10.1038/ncomms9286

Link: Fachg. Photovoltaik (Th. Hannappel), Institut für Physik, Technische Universität Ilmenau

Weitere Beiträge: 46% Wirkungsgrad – neuer Solarzellen-Weltrekord, energyviews.de, 5. Dezember 2014Vierfachsolarzelle mit 43,6 Prozent Wirkungsgrad unter konzentriertem Licht, energyviews.de, 19. Juni 2013

 

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