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Windkraft und Solarstrom sind unverzichtbar für die Energiewende. Versorgungssicherheit kann mit ihnen jedoch nur gewährleistet werden, wenn es gelingt, die von ihnen produzierte Energie effizient zu speichern. Denn Wind und Sonneneinstrahlung richten sich natürlich nicht nach dem Bedarf. Bei sehr hohem Stromverbrauch müssen daher in der Regel konventionelle Kraftwerke verstärkt hinzugeschaltet werden. Dieser Effekt ließe sich über Zwischenspeicher vermeiden oder zumindest reduzieren. Verschiedene Hochschulen wollen daher die Abspaltung von Wasserstoff perfektionieren, um ihn als chemischen Speicher zu nutzen: Forscher der TU Darmstadt arbeiten an Solarzellen, bei denen dieser Prozess direkt auf der Oberfläche abläuft. Währenddessen wollen Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie einen besseren Katalysator für diesen Prozess an den Start bringen.
Ideal wäre es, Sonnenenergie direkt dort zu speichern, wo sie entsteht, um Verluste zu vermeiden. Gleichzeitig muss die entsprechende Speichertechnologie in der Lage sein, Energie flexibel zur Verfügung zu stellen. Beides wäre mit Wasserstoff möglich. Er speichert die Energie chemisch und gibt sie direkt durch Verbrennung wieder ab oder als elektrische Energie in einer Brennstoffzelle. Besonders interessant für seine Produktion sind Solarzellen der dritten Generation. Bei ihnen handelt es sich um mehrschichtige Halbleiterstrukturen, an deren Oberfläche die Abspaltung von Wasserstoff aus Wasser bereits abläuft, ausgelöst durch das Sonnenlicht. Allerdings sind die Details der Reaktionen noch nicht bekannt.
Die Katalyse-Eigenschaften in verschiedenen Materialschichten
Als Teil des Schwerpunktprogramms „Regenerative Erzeugung von Brennstoffen mittels Licht-getriebener Wasserspaltung“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft versuchen deutsche Wissenschaftler, unter anderem folgende Fragen zu beantworten: Welche Materialien eignen sich für diese Anwendung besonders gut als Halbleiter, Katalysator oder zur Elektrolyse, also zur Loslösung des Wasserstoffes? Und was verändert sich, wenn die Materialien zusammengefügt werden? Insgesamt 19 Forschungseinrichtungen sind an dem Schwerpunkt beteiligt.
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Die Wissenschaftler der TU Darmstadt legen ihren Fokus darauf, die Wechselwirkungen in einer solchen Solarzelle zu erforschen. Denn sie haben vor allem großen Einfluss darauf, wie elektrisch leitfähig und damit effizient die Zelle ist. Dafür untersuchten die Experten, was auf atomarer Ebene passiert, wenn die Materialien Schicht für Schicht im Labor zusammenwachsen. Beispielsweise haben die Atome an der Oberfläche andere Eigenschaften als im Inneren des gleichen Materials. „Es kommt unter anderem zu Rekonstruktionen an der Oberfläche, also zu Verschiebungen der Atome und damit zu einer Veränderung der elektronischen Eigenschaften“, sagt Bernhard Kaiser vom Fachgebiet Oberflächenforschung der TU. „Dies und die hohe Reaktivität mit Molekülen aus der Atmosphäre können zu einer deutlichen Verschlechterung der angestrebten Materialeigenschaften führen.“
Nach zahlreichen Testreihen entschieden sich die Forscher für Dreifachzellen mit Platin als Katalysatorschicht und Rutheniumoxid als Gegenelektrode. Mit dieser Kombination erreichten die Forscher eine Effizienz von 9,5%, als sie mit Hilfe des Sonnenlichts Wasserstoff abspalteten. Kaiser ist sich sicher, durch weitere Material-Kombinationen und durch den Ersatz der Edelmetallkatalysatoren noch bessere Werte erreichen zu können. Die Katalysatoren sind unverzichtbar, um die elektrolytische Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu beschleunigen.
Hohe Aktivität von nanokristallinen Bereichen in Molybdänsulfiden
Mit dem Einsatz besserer Katalysatoren beschäftigt sich auch ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) für Materialien und Energie. Dafür haben die Wissenschaftler Molybdänsulfide (MoSx) näher untersucht, die deutlich günstiger sind als Katalysatoren aus Platin oder Ruthenium. Sebastian Fiechter und seine Mitarbeiter vom HZB-Institut für Solare Brennstoffe haben Proben von Molybdänsulfid-Schichten auf einem elektrisch leitenden Substrat abgeschieden. Dabei variierten sie die Temperatur von Raumtemperatur bis zu 500 Grad Celsius. Sie stellten fest, dass sich die Morphologie und Struktur der Schichten mit zunehmender Hitze änderte – es entstanden kristalline Bereiche. Die höchste katalytische Aktivität zeigte jedoch das Molybdänsulfid, das bei Raumtemperatur abgeschieden worden war und keine Kristalle ausbildete, also amorph war.
Interessanterweise setzte dieses Molybdänsulfid in der Anfangsphase der Elektrolyse auch Schwefelwasserstoffgas frei. Die Forscher stellten fest, dass der Schwefelaustritt dazu führte, dass sich im Molydändisulfid winzige nanokristalline Bereich bildeten. „Diese Inseln fungieren als katalytisch aktive Teilchen“, erklärt Fanxing Xi aus dem Wissenschaftsteam. Sie dürften also der Grund für die positiven Eigenschaften bei der Elektrolyse sein. Nun hoffen die Forscher, dass sie mit diesen Erkenntnissen die Aktivität und Stabilität der Katalysatoren weiter verbessern können.
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