Solarer Brennstoff 14.10.2013, 11:40 Uhr

Neuartige Solarzelle produziert Wasserstoff direkt aus Wasser

Berliner Forscher arbeiten an einer Solarzelle, die Wasserstoff direkt aus Wasser erzeugen kann. In ersten Laborversuchen hat die neue Technik bereits funktioniert. Jetzt träumen die Forscher von großen Solarparks, in denen der Strom direkt in Form von Wasserstoff gespeichert wird.

In der Molekularstrahl-Epitaxie-Anlage des Paul-Drude-Instituts wachsen im Ultrahochvakuum Nanofasern aus  Indium-Gallium-Nitrid auf Silizium. Sie wandeln direkt Wasser in Wasserstoff um.

In der Molekularstrahl-Epitaxie-Anlage des Paul-Drude-Instituts wachsen im Ultrahochvakuum Nanofasern aus  Indium-Gallium-Nitrid auf Silizium. Sie wandeln direkt Wasser in Wasserstoff um.

Foto: Paul-Drude-Institut

Sie liegt direkt im Wasser, die Solarzelle, die Berliner Forscher um den Halbleiterphysiker Lutz Geelhaar vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) entwickelt haben. Allerdings gleicht sich kaum den Modulen auf dem Dach. Es blubbert, wenn die Sonne scheint und die Solarzelle Strom produziert. An kleinsten Nanodrähten aus Indium-Gallium-Nitrid, die als Elektrode dienen und direkt von Wasser umgeben sind, entstehen Wasserstoff und Sauerstoff. Und das Besondere: Die Elektrode hält dieses Verfahren relativ lange aus.

Das Verfahren, Wasserstoff direkt zu erzeugen, ist zwar schon seit 40 Jahren bekannt. Aber der industrielle Einsatz scheiterte bislang daran, dass kein Material gefunden wurde, das der Belastung länger stand hält. 1970 hatten japanische erstmals die Abspaltung von Wasserstoff unter Lichteinfall beobachtet.

Diese Nanofasern aus Indium-Gallium-Nitrid zeigen einen relativ hohen Photostrom. An der Grenzfläche der Nanodrähte spaltet sich aus Wasser der Wasserstoff ab.

Diese Nanofasern aus Indium-Gallium-Nitrid zeigen einen relativ hohen Photostrom. An der Grenzfläche der Nanodrähte spaltet sich aus Wasser der Wasserstoff ab.

Foto: Paul-Drude-Institut

Der nach ihnen benannte Honda-Fujishima-Effekt gelang allerdings mit Titandioxid, das beispielsweise der Zahnpasta ihre strahlend weiße Farbe verleiht. Und genau das ist das Problem: Das weiße Material nimmt sehr wenig Sonnenlicht auf, die Effizienz ist also ausgesprochen gering. „Wir haben deshalb nach dunklen Halbleitermaterialien gesucht, die durch Umwandlung von Sonnenlicht genau die Energiemenge im Kontakt mit Wasser übertragen können, durch die Wassermoleküle aufgespalten werden“, berichtet der japanische Doktorand Jumpei Kamimura.

Nanodrähte aus  Halbleiter Indium-Gallium-Nitrid halten lange

Die Berliner Wissenschaftler haben lange am Materialmix getüftelt. „Es gibt Materialien, die die Wasserspaltung phantastisch gut hinbekommen, aber schon nach einer Minute kaputt gehen“, schildert Kamimura das Problem. Schließlich nutzten die Berliner Forscher den Halbleiter Indium-Gallium-Nitrid als Elektrode. Die unterschiedlich hohen Anteile von Galliumnitrid und Indiumnitrid machen die Nutzen eines ausgesprochen breiten Lichtspektrums möglich, gleichzeitig erwies sich die Kombination als ausgesprochen belastbar.

Die Berliner Forscher entwickelten feinste Nanodrähte, die mit einigen Fremdatomen Magnesium versehen wurden. Diese zeigen einen relativ hohen Photostrom und entwickeln gleichzeitig Wasserstoff an der Grenzfläche der Nanodrähte mit Wasser. Co-Katalysatoren wie Platin verbessern zudem die Reaktion. „Das sind sehr ermutigende Ergebnisse“, meint Prof. Geelhaar. „Unsere Nanofasern absorbieren bereits über ein breites Spektrum Licht und wandeln es in Strom um. Die Proben lösen sich zudem nicht auf, sondern liefern über längere Messzeiten konstante Ergebnisse bei der Wasserstoffproduktion.“

Forscher mit ersten Ergebnissen zufrieden

Obwohl die Forscher mit den ersten Ergebnissen sehr zufrieden sind, liegt noch einige Forschungsarbeit vor Geelhaar und Kamimura. So wird zur Erzeugung des Sauerstoffs an einer Gegenelektrode bislang eine von außen angelegte elektrische Hilfsspannung genutzt. Auch diese Spannung soll künftig von einer Solarzelle erzeugt werden.

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