Künstliches Blatt: Neue Schutzschicht steigert Solar-Wirkungsgrad

Berlin – Die Erforschung des „künstlichen Blattes“ schreitet voran. Wissenschaftlern des Instituts für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin ist es gelungen, 12 Prozent der Solarenergie in Form von Wasserstoff zu speichern.

Ein „künstliches Blatt“ wandelt einfallendes Sonnenlicht nach dem Vorbild der natürlichen Photosynthese bei Pflanzen direkt in Wasserstoff um. Wasserstoff kann universell zur Strom- und Wärmeerzeugung sowie im Transport eingesetzt werden und ist darüber hinaus gut speicherbar.

Neues Verfahren für eine organische und transparente Schutzschicht entwickelt

Der Fortschritt gelang mithilfe eines neuen Verfahrens, mit dem die empfindlichen Halbleiter mit einer organischen transparenten Schutzschicht versehen werden können. Die extrem dünne Schutzschicht aus vernetzten Kohlenstoffatomen ist stabil und leitfähig und mit Katalysator-Nanopartikeln aus Metalloxiden bedeckt. Diese beschleunigen die Spaltung von Wasser unter Lichteinstrahlung. Das Team konnte erstmals eine Hybridstruktur herstellen, die 12 Prozent der aufgenommenen Solarenergie in Form von Wasserstoff speichert.

Vielfältige Anforderungen an die neue Schutzschicht

Ein „Künstliches Blatt“ besteht im Prinzip aus einer Solarzelle, die mit weiteren funktionalen Schichten kombiniert wird. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik gibt es jedoch noch mehrere Herausforderungen, die es zu lösen gilt. Trotz der zusätzlichen Materialschichten muss sichergestellt werden, dass noch ausreichend Licht in die Solarzelle gelangen kann, um die Spannung für die Wasserspaltung zu erzeugen. Darüber hinaus halten die Halbleitermaterialien, aus denen Solarzellen in der Regel bestehen, dem mit Säure versetzten Wasser nicht lange stand.

Daher braucht das „Künstliche Blatt“ eine stabile Schutzschicht, die gleichzeitig transparent und leitfähig sein muss. Die mit dem neuen Verfahren geschützte Silizium-Elektrode erreicht eine Sonne-zu-Wasserstoff-Effizienz von ca. 12 Prozent. Während der gesamten Messdauer von 24 Stunden beobachteten die Forscher außerdem keine Degradation der Zelle, die Ausbeute blieb stabil.

Internationale Schutzrechte angestrebt

„Bemerkenswert ist, dass bisher ein ganz anderes Material als organische Schutzschicht favorisiert wurde: Graphen. Dieses vieldiskutierte zweidimensionale Material konnte jedoch bisher nur eingeschränkt für elektrochemische Prozesse eingesetzt werden, während die von uns entwickelte Schutzschicht sehr gut funktioniert“, erklärt Dr. Michael Lublow. Teamleiter Dr. Thomas Schedel-Niedrig ergänzt, dass man nun internationale Schutzrechte anstrebe, „weil sich das neuartige Material sowie das Abscheidungsverfahren auch für andere Anwendungen eignen könnten“.

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