18.05.2015, 10:12 Uhr

Künstliche Photosynthese: Berliner Forscher kommen voran

Berlin – Bei der Aufspaltung von Wasser in Sauer- und Wasserstoff mittels Elektrolyse werden zwei Elektroden und eine ausreichende Stromspannung benötigt. Wird diese Spannung durch Photovoltaik erzeugt, dann wäre dies die Speicherung der flüchtigen Solarenergie in Form von Wasserstoff. Diesem Ziel sind Helmholtz-Forscher nun einen Schritt näher gekommen.

Problematisch bei der Entwicklung der Photovoltaik(PV)-Elektrolyseure ist u.a. die chemisch saure Umgebung, in der Solarzellen rasch korrodieren, so das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB). Elektroden, die diese Reaktion beschleunigen, bestehen bislang allerdings aus extrem teuren Elementen wie Platin oder Platin-Iridium-Verbindungen. Ein Team vom Institut für Solare Brennstoffe des HZB hat nun eine neue Komposit-Photokathode entwickelt, die nur wenig Platin benötigt. Was Pflanzen auf natürlichem Wege schaffen, könnte damit in Zukunft auch künstlich und effizient gelingen: Die Photosynthese.

Platin-Nanoteilchen in Titandioxid-Film für bessere Photovoltaik

Die Photokathode besteht aus einer Chalkopyrit-Dünnschicht vom Kompetenzzentrum Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik des HZB, die mit einem neu entwickelten dünnen Film aus Titandioxid beschichtet ist. In diesen Titandioxid-Film sind Platin-Nanoteilchen eingebettet. Diese Schicht schützt die Chalkopyrit-Dünnschicht laut HZB nicht nur vor Korrosion, sondern beschleunigt außerdem als Katalysator die Wasserstoffbildung und weist laut HZB selbst hohe Photostromdichte und Photospannung auf.

Zukünftig Solarenergie autark chemisch speichern

Die neue Kathode wurde im Rahmen des BMBF-Cluster-Projektes "Light2Hydrogen" sowie im laufenden Schwerpunktprogramm "Solar H2" der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) entwickelt. Am Ziel sind die Forscher aber noch nicht. Zurzeit kommt ein Großteil der benötigten Spannung von insgesamt ca. 1.8 Volt noch aus einer Batterie, d.h. der Wirkungsgrad muss noch verbessert werden. Dr. Thomas Schedel-Niedrig ist Leiter des Teams, das die neuen Materialien entwickelt und getestet hat. Er stellt fest: "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"-Projektes realisieren können."

Hohe Lichtausbeute: 80 Prozent des einfallenden Sonnenlichts werden genutzt

Das Rezept für die Beschichtung mit dem dünnen, transparenten und leitfähigen Film aus Titandioxid (TiO2) hat Anahita Azarpira während ihrer Promotion im Team von Schedel-Niedrig erarbeitet. Azarpira und ihre Kollegen haben den Platinanteil variiert die Eigenschaften der so entstandenen Komposit-Schicht analysiert. Bei einem Volumenanteil von etwa fünf Prozent Platin (H2PtCl6) in der sogenannten Precursorlösung hätten sich die Eigenschaften als optimal erwiesen. "Mehr als 80 Prozent des einfallenden Sonnenlichts im sichtbaren Spektrum werden in diesem Komposit-System in Photostrom umgewandelt und steht damit zur Wasserstofferzeugung zur Verfügung", erklärt Schedel-Niedrig. Weitere Vorteile sind eine hohe Langzeitstabilität von über 25 Stunden und die große photoelektrokatalytische Aktivität von ca. 690 erzeugten Wasserstoffmolekülen pro Sekunde und pro aktivem Zentrum auf der Katalysatoroberfläche unter Beleuchtung.