Wasserstoff aus Sonnenlicht: US-Forschende stellen Rekord auf
Bisher zeichneten sich Technologien zur Erzeugung von grünem Wasserstoff direkt aus Sonnenlicht durch niedrige Wirkungsgrade und hohe Halbleiter-Kosten aus. Ein Forschungsteam aus den USA scheint jetzt einen großen Schritt nach vorne gemacht zu haben.
Ein von der Mohite-Forschungsgruppe der Rice University und ihren Mitarbeitern entwickelter Fotoreaktor erreichte einen Wirkungsgrad von 20,8 Prozent bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff.
Foto: Gustavo Raskoksy/Rice University
Erst vorige Woche berichteten wir über ein Forschungsteam aus Wien, das Wasserstoff aus Sonnenlicht mit Effizienzrekord herstellen konnte. Und zwar mit Hilfe eines innovativen Fotokatalysators. Nun erreicht uns eine Nachricht aus Übersee. Forschende an der Rice University in den USA haben ein Gerät entwickelt, das Sonnenlicht mit einem Rekordwirkungsgrad von 20,8 Prozent dazu nutzen kann, Wasserstoff zu erzeugen. Das Team stand unter der Leitung von Aditya Mohite, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik.
Wasserstoff ohne Elektrolyse direkt aus Sonnenlicht
Wasserstoff wird oft als die vielversprechende Zukunft der sauberen Energie betrachtet, da er eine hohe Energiedichte aufweist und sogar potenziell als Antriebsmittel für große Flugzeuge dienen könnte. Allerdings ist die gegenwärtige Wasserstofferzeugung stark von fossilen Brennstoffen abhängig. Um eine nachhaltige und kohlenstofffreie Zukunft für den Wasserstoff als saubere Energiequelle zu ermöglichen, ist es entscheidend, alternative Produktionswege zu erforschen.
Frühere Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass die Energie des Sonnenlichts genutzt werden kann, um Wassermoleküle zu spalten und Wasserstoff freizusetzen. Diese Geräte werden als photoelektrochemische Zellen bezeichnet, da sie mehrere Funktionen in einem einzigen Gerät vereinen. Dazu gehören die Absorption von Licht, die Umwandlung von Lichtenergie in Elektrizität und schließlich die Spaltung des Wassermoleküls, um Wasserstoff zu gewinnen. Dieser Wasserstoff kann dann als sauberer Brennstoff genutzt werden.
Herausforderungen bei photoelektrochemischen Zellen
Bisher zeichnete sich die photoelektrochemische Technologie zur Erzeugung von grünem Wasserstoff durch niedrige Wirkungsgrade und die hohen Kosten von Halbleitern aus. Das Forschungsteam hat daher verschiedene Versuche unternommen, um eine optimale photoelektrochemische Zelle mit hoher Energieumwandlungseffizienz zu entwickeln. Andere Forschungsteams experimentierten auch mit Perowskit, einem Material, das Solarzellen geholfen hat, die bemerkenswerte 30-Prozent-Marke bei der Energieumwandlung zu erreichen.
Im Gegensatz zu Solarzellen müssen photoelektrochemische Zellen jedoch zusätzlich mit Wasser umgehen, was sich negativ auf die Perowskite auswirkt. Die Beschichtungen, die zur Schutzes der Perowskite eingesetzt werden, beeinträchtigen ihre Funktionalität und verringern somit die Energieumwandlungseffizienz dieser grünen Wasserstoffgeneratoren.
„Alle Geräte dieser Art produzieren grünen Wasserstoff nur mit Hilfe von Sonnenlicht und Wasser, aber unseres ist außergewöhnlich, weil es einen rekordverdächtigen Wirkungsgrad hat und einen Halbleiter verwendet, der sehr billig ist“, sagte Austin Fehr, Doktorand in Chemie- und Biomolekulartechnik und einer der Hauptautoren der Studie.
Es dauerte zwei Jahre bis zum großen Durchbruch
Das Mohite-Labor und seine Forschungsmitarbeiter entwickelten das Gerät, indem sie ihre hochkompetitive Solarzelle in einen Reaktor umwandelten. Dieser kann die gewonnene Energie nutzen, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten. Die Herausforderung bestand darin, dass Halogenid-Perowskite in Kontakt mit Wasser äußerst instabil sind und die üblichen Beschichtungen, die zur Isolierung der Halbleiter verwendet werden, entweder ihre Funktionalität beeinträchtigen oder sie beschädigen.
Michael Wong, ein Chemieingenieur von Rice und Mitautor der Studie, erklärt: „In den letzten zwei Jahren haben wir eine Vielzahl von Materialien und Techniken ausprobiert, jedoch ohne den gewünschten Erfolg.“ Nach vielen langwierigen Versuchen stießen die Forschenden schließlich auf eine erfolgreiche Lösung.
„Unsere wichtigste Erkenntnis war, dass man zwei Schichten für die Barriere benötigt, eine, um das Wasser zu blockieren, und eine, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Perowskit-Schichten und der Schutzschicht herzustellen“, erläutert Fehr. „Unsere Ergebnisse sind der höchste Wirkungsgrad für photoelektrochemische Zellen ohne Solarkonzentration und der beste insgesamt für solche mit Halogenid-Perowskit-Halbleitern“.
Energieumwandlungswirkungsgrad von 20,8 Prozent
Durch die Korrosionsschutzbarriere wurde der Halbleiter effektiv vor den schädlichen Auswirkungen des Wassers isoliert, wobei der Elektronentransfer jedoch unbeeinträchtigt blieb. Der Energieumwandlungswirkungsgrad des Geräts betrug 20,8 Prozent. Das ist der höchste Wirkungsgrad, der ohne Solarkonzentration jemals erreicht wurde.
„Dies ist ein Novum in einem Bereich, der bisher von unerschwinglichen Halbleitern beherrscht wurde, und könnte zum ersten Mal einen Weg zur kommerziellen Durchführbarkeit dieser Art von Geräten darstellen“, sagte Fehr. Die Forscher konnten darüber hinaus nachweisen, dass ihr Barrierekonstrukt erfolgreich mit verschiedenen Arten von Halbleitern und elektrochemischen Reaktionen zusammenarbeitet. Diese Erkenntnis macht das Konstrukt nicht nur mit anderen Systemen kompatibel, sondern es verbessert auch die Funktionsweise dieser Systeme.
„Wir hoffen, dass solche Systeme als Plattform dienen können, um eine breite Palette von Elektronen zu brennstoffbildenden Reaktionen unter Verwendung von reichlich vorhandenen Rohstoffen mit nur Sonnenlicht als Energieinput zu bewegen“, so Mohite in der Pressemitteilung. „Mit weiteren Verbesserungen der Stabilität und der Skalierbarkeit könnte diese Technologie die Wasserstoffwirtschaft erschließen und die Art und Weise, wie Menschen Dinge herstellen, von fossilen Brennstoffen auf Solartreibstoff umstellen“, fügte Fehr hinzu.
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