Künst­liche Photo­syn­these

Wasserstoffentwicklung an der Photokathode mit Silizium-Dünnschichtsolarzelle (rechts), an der Metall­elek­trode (links) bildet sich Sauer­stoff. (Bild: FZ Jülich)

Wasserstoff­entwicklung an der Photo­kathode mit Silizium-Dünn­schicht­solarzelle (rechts), an der Metall­elektrode (links) bildet sich Sauer­stoff. (Bild: FZ Jülich)

Wasser­­stoff könnte in Zukunft Er­döl und Erd­gas er­set­zen. Eine der Schlü­ssel­fragen ist jedoch, wo­her die­ser um­welt­freund­liche Energie­trä­ger kommen soll. Jülicher For­scher haben dafür nun eine Mehr­fach­solar­zelle aus Silizium ent­wickelt, die sich ver­gleichs­weise kosten­gün­stig pro­du­zieren lässt und Wasser­stoff nach dem Prinzip der „künst­lichen Photo­synthese“ direkt mit Sonnen­licht erzeugt. Mit einem Gesamt­wirkungs­grad von 9,5 Prozent konnten die Jülicher Wissen­schaft­ler die Effi­zienz ent­sprechen­der Mo­dule auf Sili­zium-Basis deut­lich steigern, der bisherige Rekord­wert lag bei 7,8 Pro­zent.

Die Energie des Sonnen­lichts ist enorm. Die auf der Erd­ober­fläche ein­treffen­de Strah­lung reicht aus, um den welt­weiten Energie­be­darf gleich um ein Viel­faches zu decken. Doch das Sonnen­licht ist nicht zu jeder Zeit verfügbar. Solar­mo­dule, die Wasser­stoff statt Strom er­zeugen, sind daher eine inte­ressante Alter­native. Denn der Wasser­stoff lässt sich deut­lich besser als elektrischer Strom speichern. Ent­sprechende Solar­mo­dule funk­tio­nieren ähn­lich wie ein künst­liches Blatt: Sie wan­deln Sonnen­ener­gie in che­mische Ener­gie um, indem sie Wasser in Sauer­stoff und Wasser­stoff auf­spalten. Bei der späteren Energie­bereit­stellung mit Wasser­stoff fällt nur Wasser und kein klima­schäd­liches Kohlen­dioxid an. Für den wirt­schaft­lichen Be­trieb müssen die Kos­ten und der Wirkungs­grad der solaren Wasser­stoff­erzeugung jedoch noch weiter ver­bes­sert werden.

Die Jülicher Silizium-Mehr­fach­stapel­solar­zelle ist speziell auf diese photo­elektro­chemische Wasser­spal­tung zu­ge­schnitten. „Die be­sondere Schwierigkeit besteht darin, eine ausreichend hohe Photo­spannung zu er­zeugen. In der Praxis sind etwa 1,6 Volt not­wendig, um die Wasser­spaltungs­reaktion voran­zu­treiben. Mit gängigen kristallinen Silizium­solar­zellen, deren Photo­spannung deut­lich unter einem Volt liegt, ist das nicht zu schaffen“, erklärt Jan-Philipp Becker vom Jülicher Institut für Energie- und Klima­for­schung IEK-5.

F. Urbain vor Cluster-Depositionsanlage zur Herstellung von Silizium-Dünnschichtsolarzellen. (Bild: FZ Jülich)

F. Urbain vor Cluster-Depositionsanlage zur Herstellung von Silizium-Dünnschichtsolarzellen. (Bild: FZ Jülich)

Die Solar­module be­stehen da­gegen aus drei oder vier über­einander ge­sta­pelten Zellen, die ihrer­seits aus meh­re­ren Schich­ten aufgebaut sind. „Durch den mehr­lagigen Auf­bau lässt sich das Sonnen­licht-Spektrum, das über ver­schie­dene Wellen­längen reicht, effi­zien­ter ein­fangen“, erläutert Félix Ur­bain. „Gleich­zeitig er­höht sich die Spannung auf bis zu 2,8 Volt und bietet damit sogar noch aus­reichend Spiel­raum, um statt teurer Platin­kata­ly­sa­to­ren auch weniger edle Metalle wie Ni­ckel als Kata­ly­sa­tor einzusetzen“, so der Jülicher Doktorand, der die Module im Rahmen eines von der TU Darm­stadt koordi­nierten DFG-Schwer­punkt­programms SolarH2 ent­worfen und her­gestellt hat.

Silizium-Dünn­schicht­solar­zellen werden nicht wie kristalline Zellen aus einem Silizium-Wafer gefertigt. Die Schichten werden vielmehr im Vakuum mittels ver­schiedener Tech­niken auf ein Glas- oder Kunst­stoff­subs­trat ab­ge­schie­den. „Die Dünn­schicht­techno­logie bie­tet den Vor­teil, dass sie mit deut­lich weniger Ma­terial aus­kommt als die klassische Wafer­techno­logie, und sich die Halb­leiter­materia­lien ver­gleichs­weise kosten­günstig groß­flächig aufbringen lassen.“, erklärt Dr. Friedhelm Finger, Leiter der Ab­teilung “Ma­teria­lien und Solar­zellen” am IEK-5. „Bei der Wasser­stoff­gewinnung zahlt sich dabei die höhere Spannung der Dünn­schicht­solar­zelle aus.“

Doch bis­lang erreich­ten Sili­zium-Dünn­schicht­solarzellen, die ohne spezielle Hoch­leistungs-Halb­­lei­ter­ma­te­ria­lien aus­kommen, welche sich wiede­rum nur ver­gleichs­weise kosten­auf­wendig pro­zessieren lassen, bei der Wasser­stoff­gewinnung nur einen Wir­kungs­grad von 7,8 Pro­zent – ein Wert, den der neue Rekord von 9,5 Prozent nun deut­lich über­steigt. „Unsere Tests zeigen, dass sich Sili­zium-Dünn­schicht­solar­module effi­zient zur Er­zeu­gung von Wasser­stoff ein­setzen lassen. Gesamt­wirkungs­grade von über zehn Pro­zent er­scheinen durch­aus mach­bar“, schätzt Uwe Rau, Leiter des IEK-5. Der nächste Schritt sei nun die Skalierung der Solar­zellen auf größere Flächen. (Quelle: FZ Jülich)

Referenz: F. Urbain et al.: Multi­junction Si photo­cathodes with tunable photo­voltages from 2.0 V to 2.8 V for light induced water splitting, Energy Environ. Sci., online 5. Oktober 2015, DOI: 10.1039/C5EE02393A

Links:Abt. Ma­te­ria­lien- und Zell­ent­wicklung (F. Finger), Forschungs­zentrum Jülich  •Institut für Energie- und Klima­forschung, Photo­voltaik IEK-5  • Schwer­punkt­programm Solar H2 der Deutschen Forschungs­gesellschaftDritt­mittel­projekt MatRessource des Bundes­minis­teriums für Bildung und For­schung BMBF

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