Mehrfachsolarzelle aus Silizium 29.10.2015, 09:11 Uhr

Jülicher Forscher knacken Weltrekord bei Wasserstoffherstellung

Partystimmung in Jülich: Forscher haben Mehrfachsolarzellen aus Silizium hergestellt, die bei der Wasserstoffherstellung einen Rekordwirkungsgrad von 9,5 % erreichen. Der bisherige Wert lag bei 7,8 %. Doch wozu die Mühe?

Solarsystem zur Wasserstofferzeugung: An der Photokathode mit Silizium-Dünnschichtsolarzelle (re.) entwickelt sich Wasserstoff, an der Metallelektrode (li.) bildet sich Sauerstoff. 

Solarsystem zur Wasserstofferzeugung: An der Photokathode mit Silizium-Dünnschichtsolarzelle (re.) entwickelt sich Wasserstoff, an der Metallelektrode (li.) bildet sich Sauerstoff. 

Foto: Forschungszentrum Jülich

Wasserstoff könnte in Zukunft ein wichtiger Energieträger für Autos werden: In Hamburg fahren bereits Stadtbusse mit dem Gas und jüngst hat Toyota sein Wasserstoff-Auto Mirai auf den deutschen Markt gebracht. Wie sie funktionieren? Eine Brennstoffzelle lässt getankten Wasserstoff mit Umgebungssauerstoff reagieren.

Bei dieser exothermen Reaktion entstehen Wasser und Energie für den Elektromotor, aus dem Auspuff tropft lediglich Wasserdampf. Eine tolle Sache für die Umwelt also ­– vorausgesetzt die Herstellung des Wasserstoffes selbst ist umweltschonendend. Forscher aus Jülich haben dabei einen Schritt nach vorn gemacht.

Félix Urbain vor einer Cluster-Depositionsanlage zur Herstellung der Silizium-Dünnschichtsolarzellen. 

Félix Urbain vor einer Cluster-Depositionsanlage zur Herstellung der Silizium-Dünnschichtsolarzellen. 

Foto: Forschungszentrum Jülich

Die Wissenschaftler wollen Wasserstoff mit der Kraft der Sonne herstellen. Hier kommen Silizium-Solarmodule ins Spiel, die Sonnenenergie in chemische Energie umwandeln, indem sie Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten. „Die besondere Schwierigkeit besteht darin, eine ausreichend hohe Photospannung zu erzeugen. In der Praxis sind etwa 1,6 V notwendig, um die Wasserspaltungsreaktion voranzutreiben“, erklärt Jan-Philipp Becker vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung. „Mit gängigen kristallinen Siliziumsolarzellen, deren Photospannung deutlich unter einem Volt liegt, ist das nicht zu schaffen.“ Was also tun?

Solarmodul für Wasserspaltung erreicht Rekordwirkungsgrad von 9,5 %

Die Forscher haben ein sogenanntes Silizium-Mehrfachstapelsolarmodul entwickelt, das speziell auf die photoelektronische Wasserspaltung zugeschnitten ist. Es besteht aus drei oder vier übereinandergestapelten Zellen, die ihrerseits aus mehreren Schichten aufgebaut sind. „Durch den mehrlagigen Aufbau lässt sich das Sonnenlicht-Spektrum, das über verschiedene Wellenlängen reicht, effizienter einfangen“, erklärt Forscher Félix Urbain.

Funktionsweise der Stapelsolarzelle zur Wasserspaltung: An der Grenzfläche zwischen der mit einem Katalysator beschichteten Photokathode und einem wässrigen Elektrolyten entsteht durch Umwandlung des Sonnenlichts Wasserstoff. 

Funktionsweise der Stapelsolarzelle zur Wasserspaltung: An der Grenzfläche zwischen der mit einem Katalysator beschichteten Photokathode und einem wässrigen Elektrolyten entsteht durch Umwandlung des Sonnenlichts Wasserstoff. 

Foto: Forschungszentrum Jülich

Die Forscher erreichten angeblich einen Wirkungsgrad von 9,5 %. Das ist neuer Weltrekord für entsprechende Module auf Silizium-Basis. Der bisherige Rekordwert lag bei 7,8 %. In Zukunft sollen sogar Wirkungsgrade von über 10 % möglich sein. Urbain: „Gleichzeitig erhöht sich die Spannung auf bis zu 2,8 V und bietet damit sogar noch ausreichend Spielraum, um statt teurer Platinkatalysatoren auch weniger edle Metalle wie Nickel als Katalysator einzusetzen.“

Jülicher Forscher setzen auf Dünnschichttechnologie 

Die Forscher setzen auf sogenannte Dünnschichtsolarzellen, die sich vergleichsweise günstig herstellen lassen. Man muss nämlich nicht den Umweg über Siliziumscheiben gehen, bei deren Bearbeitung fast die Hälfte des Materials verloren geht, sondern kann die Schichten in einem Vakuum auf ein Glas- oder Kunststoffsubstrat abscheiden. „Die Dünnschichttechnologie bietet den Vorteil, dass sie mit deutlich weniger Material auskommt als die klassische Wafertechnologie, und sich die Halbleitermaterialien vergleichsweise kostengünstig großflächig aufbringen lassen“, sagt Forscher Friedhelm Finger. Der nächste Schritt ist die Skalierung der Solarzelle auf größere Flächen.

Konkurrenz kommt von der TU Ilmenau: Dort haben Forscher ebenfalls ein System entwickelt, das Wasserstoff nach dem Prinzip der künstlichen Photosynthese herstellt. 

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