Innovative Solarzelle produziert grünen Wasserstoff mit hohem Wirkungsgrad
Um die gesteckten Klimaziele zu erreichen, braucht es grünen und vor allem günstigen Wasserstoff in großen Mengen. Mit der Entwicklung einer neuartigen Solarzelle, die das dezentrale Herstellen von Wasserstoff mit sehr hohem Wirkungsgrad ermöglicht, ist ein Tübinger Forschungsteam diesem Ziel einen Schritt nähergekommen.
Die photoelektrochemische Schlenk-Zelle im Sonnensimulator. Die rechteckige, graue Fläche mit schwarzer Einrahmung im Vordergrund ist die photoelektrochemische Solarzelle.
Foto: Valentin Marquardt / Universität Tübingen
Überall auf der Welt arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Methoden, um grünen Wasserstoff effizient und günstig herstellen zu können. Wasserstoff soll entscheidend dazu beitragen, den Verbrauch von fossilen Rohstoffen zu reduzieren und die CO2-Emissionen einzudämmen. Allerdings sind bereits existierende Lösungen für die benötigten Mengen noch zu ineffizient oder zu teuer. Ein Forschungsteam der Universität Tübingen hat nun eine neuartige Solarzelle vorgestellt, die einen bemerkenswert hohen Wirkungsgrad haben soll. Die Ergebnisse ihrer Studie hat das Team im Fachmagazin Cell Reports Physical Science veröffentlicht.
Solarzelle arbeitet direkt mit den Katalysatoren zusammen
Grüner Wasserstoff ist ein klimafreundlicher Energieträger, der aus Wasser mit Hilfe von erneuerbaren Energien gewonnen wird. Das kann Strom aus Windkraft oder Photovoltaik sein. Dabei wird das Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Eine besondere Form der Elektrolyse ist die solare Wasserspaltung, die auch als künstliche Photosynthese bekannt ist. Bei dieser Methode wird die Energie nicht von außen zugeführt, sondern die Energie der Sonne wird direkt genutzt, um das Wasser zu spalten.
Ein Forschungsteam um Dr. Matthias May vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen hat eine neue Methode entwickelt, um solaren Wasserstoff effizienter zu erzeugen. Die Forschenden haben eine Solarzelle konstruiert, die direkt mit den Katalysatoren verbunden ist, die für die Wasserspaltung zuständig sind. Dadurch, dass die Solarzelle integraler Bestandteil der photoelektrochemischen Apparatur ist, entfällt die Notwendigkeit eines externen Stromkreises, wie er bei herkömmlichen Solarzellen benötigt wird.
Innovativer Ansatz macht die Technologie flexibler und kosteneffizienter
Durch die direkte Nutzung der Sonnenenergie wird die Technologie kompakter und flexibler, berichtet das Forschungsteam. Zudem soll sie potenziell weniger kostenintensiv sein. Jedoch werden bei dieser Methode der Wasserstoffproduktion auch die Anforderungen an die Solarzelle größer. „Unter Forschenden auf dem Gebiet ist die Realisierung von stabiler und effizienter photoelektrochemischer oder direkter Wasserspaltung so etwas wie der ‚heilige Gral`“, sagt May.
Die Forscherinnen und Forscher haben eine Solarzelle entwickelt, die sehr genau auf die verschiedenen Materialien abgestimmt ist, die sie enthält. Die Materialien haben sehr feine Strukturen, die nur wenige Millionstel Millimeter groß sind. Diese Strukturen beeinflussen, wie gut die Solarzelle Strom erzeugen kann. Das Forschungsteam musste darauf achten, dass keine Fehler beim Wachstum der Solarzellenschichten entstehen, die die Leistung oder die Haltbarkeit der Solarzelle verringern könnten.
May ergänzt: “Insgesamt bleibt die Korrosion und somit die Langzeitstabilität der sich im Wasser befindenden Solarzelle aber die größte Herausforderung. Hier haben wir nun große Fortschritte im Vergleich zu unseren früheren Arbeiten gemacht.“
Wirkungsgrad von 18 Prozent
Bei Tests zeigte sich, dass der technische Aufbau der neuen Zelle innovativ und zugleich besonders wirkungsvoll ist. Wie effizient die solare Wasserspaltung funktioniert, wird im Wirkungsgrad gemessen. Dieser gibt in diesem Fall an, wieviel Prozent der Sonnenenergie sich in nutzbare Energie des Wasserstoffes umwandeln lässt. Das entspricht dem Heizwert.
Das Forschungsteam schaffte mit seiner innovativen Technologie einen Wirkungsgrad von 18 Prozent. Das ist der zweithöchste jemals gemessene Wert für die direkte solare Wasserspaltung. Wenn man die Fläche der Solarzelle berücksichtigt, ist es sogar ein Weltrekord, berichten die Forschenden. Im Jahr 1998 stellte das National Renewable Energy Laboratory (NREL) in den USA einen ersten Rekord mit 12 Prozent auf. Erst 2015 wurde der Effizienzrekord für solare Wasserspaltung von Matthias May und seinen Kolleginnen und Kollegen auf 14 Prozent verbessert.
Aktueller Rekordhalter ist ein internationales Forschungsteam mit Forschenden aus dem California Institute of Technology, der University of Cambridge, der TU Ilmenau und dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Für ihren Rekord von 19 Prozent kombinierten die Forschenden eine Tandem-Solarzelle aus III-V-Halbleitern mit Rhodium-Nanopartikeln und kristallinem Titandioxid.
Prof. Thomas Hannappel von der TU Ilmenau erklärte im Jahr 2018 dazu: „Diese Arbeit zeigt, dass maßgeschneiderte Tandem-Zellen für die direkte solare Wasserspaltung das Potential haben, Wirkungsgrade jenseits von 20 Prozent zu erreichen. Ein Ansatz dafür ist die noch bessere Wahl der Bandlückenenergien der beiden Absorbermaterialien in der Tandem-Zelle. Und eines der beiden könnte dabei sogar Silizium sein.“
Anwendung in großem Maßstab möglich
Bei dem eben geschilderten Effizienzrekord aus dem Jahr 2018 konnte das Forschungsteam die Stabilität des Systems für 100 Stunden halten, Vorgängersysteme waren bereits nach 40 Stunden korrodiert. Die Tübinger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind hingegen optimistisch, dass sich ihre Technologie kommerzialisieren lässt.
Erica Schmitt, Erstautorin der Studie, erklärt: „Was wir hier entwickelt haben, ist eine Technologie der solaren Wasserstofferzeugung, die keine leistungsstarke Anbindung an das Elektrizitätsnetz erfordert. Dadurch sind auch dauerhafte kleinere Insellösungen zur Energieversorgung denkbar.“
Zunächst einmal soll jedoch die Langzeitstabilität verbessert werden. Weitere nötige Arbeitsschritte ist der Transfer der Technologie auf ein kostengünstigeres Materialsystem auf Siliziumbasis. Im letzten Schritt ist zudem noch eine Skalierung auf größere Flächen notwendig.
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