Spaltung von Wasser 24.06.2014, 06:55 Uhr

Solarzelle nach dem Vorbild des Auges einer Motte

Die Augen nachtaktiver Motten standen Pate einer neuartigen Energiezelle, die Sonnenlicht direkt nutzt, um aus Wasser ohne Umweg Wasserstoff zu erzeugen. Die Ingenieure der ETH Zürich hoffen, mit ihrer Photoelektrode einen Durchbruch geschafft zu haben.

Florent Boudoire testet die Funktion seiner Photoelektrode im Sonnenlichtsimulator.<emphasize> </emphasize>

Florent Boudoire testet die Funktion seiner Photoelektrode im Sonnenlichtsimulator. 

Foto: Empa

Den Schlüssel für ihren neuen Elektrolyseur fanden die Ingenieure der ETH Zürich in den Augen nachtaktiver Motten. Eine Motte muss auch nachts sehen, wohin sie fliegt. Sie sammelt so viel Licht wie möglich und leitet es auf die Netzhaut weiter. Andererseits dürfen ihre Augen kein Licht reflektieren, weil die Motte dann eine leichte Beute für nächtliche Jäger wäre.

Rost – guter Lichtsammler, aber schlechter Leiter

Genau so arbeitet die photochemische Zelle, die die Ingenieure Florent Boudoire und Artur Braun des Technik-Institutes Empa der ETH Zürich entwickelt haben. Schon länger wird an Photoelektroden geforscht, die Wasser spalten und dadurch Wasserstoff erzeugen. Doch das dazu genutzte Eisenoxid, umgangssprachlich Rost, hat seine Vorteile und seine Tücken: Zwar ist Eisenoxid ein idealer Lichtsammler, weil es genau den Wellenlängenbereich schluckt, der die größte Energie hat.

Mit dem Einfangen ist es jedoch nicht getan. Die Lichtteilchen müssen in einen elektrischen Strom umgewandelt werden, der schließlich Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff spaltet. Das allerdings klappte bislang nicht so gut. „Rost leitet elektrischen Strom sehr schlecht und muss daher immer in Form äußerst dünner Filme verarbeitet werden, damit die Wasserspaltung funktioniert“, erklären die Empa-Forscher Boudoire und Braun. Das Problem: Diese dünnen Filme absorbieren zu wenig vom eingestrahlten Sonnenlicht.

So entsteht die Solarzelle nach Vorbild eines Mottenauges.

So entsteht die Solarzelle nach Vorbild eines Mottenauges.

Quelle: Empa

Genau für dieses Problem haben die Schweizer nun eine Lösung gefunden. Sie setzen kleinste Partikel von Wolframoxid ein, die üblicherweise für Photoelektroden benutzt werden. Jetzt fanden die Forscher heraus: Wenn man winzige Wolframoxidkugeln mit einer hauchdünnen Schicht Eisenoxid überzieht, funktioniert die Arbeitsteilung: Rost fängt das Sonnenlicht ein, Wolframoxid produziert Elektronen.

Licht einfangen, ohne es wieder abzustrahlen

Der Wirkungsgrad dieser Anordnung war anfangs allerdings erschreckend gering. Bis das Mottenauge ins Spiel kam. Es besteht aus unzähligen Einzelzellen, die das Licht einsammeln. Eine Vielzahl von rostumhüllten Wolframoxidkügelchen, so die Überlegung, vergrößert die aktive Oberfläche und damit den Wirkungsgrad. Und fängt das Licht ein, ohne es wieder abzustrahlen.

Um diese Wirkung zu erreichen, entwickelten die Schweizer einen mehrstufigen Prozess. Ausgangsmaterial ist ein Wolframsalz. Das sperrten sie ins Innere von kleinen Kunststoffkügelchen, die in einer Flüssigkeit landeten. Diese Suspension sprühten sie auf eine Glasscheibe, die sie in einen Ofen steckten. Der Kunststoff verbrannte und aus dem Salz wurde Wolframoxid.

Der Wirkungsgrad soll noch größer werden

Die gelben Kügelchen bepinselten sie mit einer Eisensalzlösung, das sich in einem zweiten Ofengang in Rost verwandelte. Der jetzt erreichte Wirkungsgrad, über den die Schweizer Forscher schweigen, reicht ihnen noch nicht. Jetzt wollen sie Zellen mit mehreren Schichten aus Wolframoxidkügelchen herstellen. Da die Rostschicht nur Millionstel Millimeter dick ist, erreicht das Licht auch die unteren Lagen.

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