Eine Solarzelle, die direkt Wasserstoff erzeugen kann
Mit einer ungewöhnlichen Materialkombination haben Forscher eine Solarzelle entwickelt, die Wasserstoff erzeugt. Das erspart den verlustreichen Umweg über einen externen Elektrolyseur.
Die Solarzelle funktioniert mit einfachster Technik und kann immerhin fünf Prozent der Energie des Sonnenlichts direkt in Wasserstoff umwandeln.
Foto: Uni Delft
Eine Solarzelle, die Sonnenlicht direkt in Wasserstoff umwandelt, haben Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie in Berlin und der Technischen Hochschule Delft in den Niederlanden entwickelt. Der Prototyp hat einen Wirkungsgrad von immerhin fünf Prozent. Das reicht, um innerhalb von einer Stunde auf einer Fläche von 100 Quadratmetern so viel Wasserstoff zu erzeugen, dass sich daraus drei Kilowattstunden Strom erzeugen ließen.
Als Anode (Pluspol), die direkten Wasserkontakt hat, dient ein auf eine Glasplatte gesprühter Film aus dem Metalloxid Wismut-Vanadat, das gezielt mit Wolfram-Atomen verunreinigt wurde. Das erhöht die Standfestigkeit des Materials, fanden die Forscher heraus. Metalloxide sind unempfindlich gegen Korrosion.
Solarzelle aus einfachsten Materialien
An dieser Anode entsteht Sauerstoff, eines der beiden Spaltprodukte, wenn in Wasser eine elektrische Spannung erzeugt wird. Dafür ist die Solarzelle zuständig, die sich auf der Rückseite der Glasplatte befindet. Sie besteht aus dem billigsten Material, das für Solarzellen geeignet ist: aus amorphem Silizium, das einfach aufgedampft wird. Als Kathode (Minuspol) fungiert eine Legierung aus Silber, Chrom und Aluminium.
Die Spannung baut sich, ausgelöst durch die energiereichen Lichtteilchen der Sonne, zwischen der Anode aus Metalloxid und der Kathode auf. Die Anode ist über eine Graphitbrücke mit der Solarzelle verbunden. Diese sorgt dafür, dass sich die positiven Ladungsträger in der Anode in Richtung Wasser orientieren. Der Minuspol wird über eine Strom leitende Verbindung in eine winzige Spirale aus Platin verlagert, die sich in einem gewissen Abstand von der Anode im Wasser befindet.
Neun Prozent Wirkungsgrad sind bald möglich
„Wir haben das Beste aus zwei Welten kombiniert“, sagt Professor Roel van de Krol, Leiter des Instituts für Solare Brennstoffe am Berliner Institut. Damit meint er das Metalloxid, das stabil und preiswert ist, und die schlichte und deshalb ebenfalls billige Dünnschicht-Solarzelle.
Bis zur wirklichen Nutzung als Wasserstofferzeuger ist noch einige Forschungsarbeit zu leisten. Die Wissenschaftler wollen herausfinden, warum die Kombination der unterschiedlichen Werkstoffe so gut funktioniert. Dann lässt sich der Wirkungsgrad weiter erhöhen. Neun Prozent sind drin, glauben sie.
Der Wasserstoff müsste in Druckspeicher geleitet werden, um ihn in sonnenarmen Zeiten nutzen zu können. Das wäre mit Hilfe einer Brennstoffzelle möglich, die Strom erzeugt. Alternativ ließe sich der Wasserstoff mit Abfall-Kohlendioxid in Methan umwandeln, das ins Netz eingespeist werden könnte.
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