16.09.2015, 08:02 Uhr

Künstliche Photosynthese: Forscherteam knackt Effizienzrekord

Berlin - Einem internationalen Team von Wissenschaftlern ist es gelungen, den Wirkungsgrad für die direkte solare Wasserspaltung deutlich zu steigern. Sie nutzen dafür eine Tandem-Solarzelle, deren Oberflächen sie gezielt modifiziert haben.

Der neue Bestwert liegt bei 14 Prozent und damit deutlich über dem bisherigen Rekordwert von 12,4 Prozent, der damit seit 17 Jahren erstmals gebrochen wurde. An der Kooperation sind Forscher vom Institut für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), der TU Ilmenau, vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg und vom California Institute of Technology beteiligt. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht worden.

17 Jahre alte NREL-Bestmarke für künstliche Photosynthese getoppt

Zahlreiche Wissenschaftler forschen daran, die bestehende Bestmarke für künstliche Photosynthese von 12,4 Prozent, die seit 17 Jahren vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) in den USA gehalten wird, zu knacken. Genau dies ist nun einem Team von Forschern der TU Ilmenau, des HZB, des California Institute of Technology sowie des Fraunhofer ISE gelungen. Sie haben den alten Rekordwert deutlich übertroffen. Erstautor Matthias May, für die TU Ilmenau und das HZB-Institut für Solare Brennstoffe tätig, hat in seiner ausgezeichneten Promotionsarbeit dafür knapp hundert Proben bearbeitet und vermessen. Die Grundbausteine sind Tandemsolarzellen aus sogenannten III-V-Halbleitern. Mit einem jetzt patentierten photoelektrochemischen Verfahren gelang es May, bestimmte Oberflächen dieser Halbleitersysteme so zu modifizieren, dass sie ihre Funktion bei der Wasserspaltung besser erfüllen.

Wasserstoff aus Sonnenlicht: Ab 15 Prozent Wirkungsgrad konkurrenzfähig

„Wir haben insbesondere die Aluminium-Indium-Phosphid-Schichten in situ elektronisch wie chemisch passiviert und damit effizient an die Katalysatorschicht für die Wasserstofferzeugung angekoppelt. Dabei konnten wir die Oberflächenzusammensetzung auf der Subnanometerskala kontrollieren“, erklärt May. Auch bei der Langzeitstabilität sind laut HZB „riesige Fortschritte“ gelungen. Anfänglich hielten die Proben nur wenige Sekunden durch, bevor ihre Leistung einbrach, nach rund einem Jahr Optimierung, bleiben sie über 40 Stunden lang stabil. Weitere Schritte in Richtung Langzeitstabilität mit dem Ziel 1.000 Stunden seien schon in Vorbereitung.

„Prognosen zeigen, dass die Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht mit Hocheffizienz-Halbleitern ab einer Effizienz von 15 Prozent wirtschaftlich konkurrenzfähig zu fossilen Energieträgern werden könnte; dies entspricht einem Preis pro Kilogramm Wasserstoff von etwa vier US-Dollar“, sagt Prof. Thomas Hannappel, Fachgebiet Photovoltaik an der TU Ilmenau, der die Arbeit mit betreut hat. Und Prof. Hans-Joachim Lewerenz vom Joint Center for Artificial Photosynthesis aus dem California Institute of Technology, der eng mit May zusammen gearbeitet hat, sagt: „Da sind wir nun schon nah dran. Wenn es uns nun gelingt, die Ladungsträger-Verluste an den Grenzflächen noch etwas stärker zu reduzieren, könnten wir mit diesem Halbleitersystem sogar über 17 Prozent der einfallenden Solarenergie chemisch in Form von Wasserstoff speichern.“

„Sonnen-Wasserstoff“ auf industrieller Ebene bislang zu teuer

Solarenergie ist zwar reichlich verfügbar, aber leider nicht speicherbar. Eine besonders interessante Speicherlösung ist die künstliche Photosynthese, heißt es in der aktuellen Nachricht des HZB. Die Fähigkeit eines jeden Blattes, nämlich Sonnenlicht in „chemische Energie“ umzuwandeln, gelinge auch mit künstlichen Systemen auf Halbleiterbasis. Dabei spaltet die elektrische Leistung, die Sonnenlicht in einzelnen Halbleiterkomponenten erzeugt, Wasser direkt in Sauerstoff und Wasserstoff auf. Der energiereiche und speicherbare Wasserstoff könnte langfristig fossile Brennstoffe ersetzen, so die Helmholtz-Forscher. Zudem wird bei der Verbrennung von Wasserstoff kein klimaschädliches Kohlendioxid freigesetzt, sondern nur Wasser. Bisher sei die Herstellung von „Sonnen-Wasserstoff“ auf industrieller Ebene jedoch an den Kosten gescheitert. Der Wirkungsgrad der künstlichen Photosynthese, also der Energiegehalt des Wasserstoffs bezogen auf den des Lichtes, ist laut HZB noch immer zu gering, um wirtschaftlich solar erzeugten Wasserstoff zu produzieren.

Quelle: IWR Online

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