Verdunstung passiert überall. Wasser nimmt Energie auf, geht in die Gasphase und transportiert dabei im Schnitt rund 80 W/m² von der Erdoberfläche in die Atmosphäre. Ein riesiger, bislang kaum genutzter Energiefluss. Forschende der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) zeigen nun, dass sich daraus deutlich effizienter Strom gewinnen lässt als bisher gedacht.
Das Team um Giulia Tagliabue vom Laboratory of Nanoscience for Energy Technologies (LNET) hat seine hydrovoltaische Plattform gezielt weiterentwickelt. Unter optimalen Bedingungen erreicht das System eine Leerlaufspannung von bis zu 1 V und eine Leistungsdichte von 0,25 W/m². Für Verdunstungssysteme ist das ein Spitzenwert.
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Drei Prozesse – klar voneinander getrennt
Hydrovoltaik nutzt ein einfaches Prinzip: Wenn Wasser verdunstet, bewegen sich Ionen an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Festkörper. Diese Bewegung kann eine elektrische Spannung erzeugen. Das Problem bisher: Verdunstung, Ionentransport und Oberflächenchemie liefen in klassischen Aufbauten untrennbar zusammen. Das machte gezielte Optimierung schwierig.
Die EPFL-Forschenden trennen diese Prozesse räumlich. Ihr System besteht aus drei funktionalen Schichten:
- einer oberen Verdunstungselektrode mit Flüssigkeitsmeniskus
- einer ionenleitenden Zwischenschicht
- einer nanostrukturierten Siliziumbasis mit dünner Oxidbeschichtung
Die untere Elektrode bildet ein regelmäßiges Feld aus Silizium-Nanopfeilern. Darauf liegt eine nur wenige Nanometer dünne Oxidschicht, etwa aus Aluminiumoxid oder Titanoxid. Diese Architektur erlaubt es, jeden Einflussfaktor einzeln zu untersuchen und gezielt zu steuern.
Wärme wirkt doppelt
Steigt die Temperatur, verdunstet Wasser schneller. Das ist trivial. Interessanter ist der zweite Effekt: An der Oxid-Wasser-Grenzfläche verschieben sich chemische Gleichgewichte. Oberflächengebundene Oxidgruppen dissoziieren stärker. Die negative Oberflächenladung nimmt zu. Dadurch wächst die elektrische Potentialdifferenz zwischen Elektrolyt und Silizium.
Im Experiment zeigt sich das deutlich: Erhöht das Team die Temperatur der Siliziumelektrode von 25 auf 70 Grad Celsius, steigt die Leerlaufspannung von rund 0,25 V auf etwa 0,5 V. Die Leistungsdichte liegt bei 70 Grad sogar mehr als fünfmal höher als bei Raumtemperatur. Wärme beschleunigt also nicht nur die Verdunstung. Sie verändert direkt die Grenzflächenchemie – und damit die elektrische Ausgangsgröße.
Licht liefert zusätzliche Spannung
Noch spannender ist der Einfluss von Licht. Trifft Sonnenlicht auf das n-dotierte Silizium, entstehen Elektron-Loch-Paare. Die Löcher wandern zur Silizium-Oxid-Grenzfläche. Dort verändern sie lokal die Protonenkonzentration. Die Oberflächenladung steigt weiter an. Es entsteht eine zusätzliche Photospannung.
Messungen unter Standard-Sonneneinstrahlung (AM 1.5, 1 kW/m²) zeigen eine sofortige Spannungszunahme beim Einschalten des Lichts. Wird das Licht abgeschaltet, fällt die Spannung ebenso schnell zurück. Das spricht gegen rein thermische Effekte. Stattdessen dominiert ein kapazitiver Mechanismus: Licht lädt die Grenzfläche gewissermaßen elektrisch auf.
Die Kombination aus thermisch beeinflusster Oberflächenchemie und kapazitiver Lichtladung treibt die Energieumwandlung. Verdunstung ist also nur ein Teil der Geschichte.
1 V aus Salzlösung
Unter optimalen Bedingungen mit einer 0,1-molaren Kaliumchlorid-Lösung erreicht das System eine Leerlaufspannung von 1 V. Die Leistungsdichte beträgt 0,25 W/m². Bemerkenswert: Ein zusätzlicher schwarzer Lichtabsorber ist nicht nötig. Das Silizium selbst übernimmt die photoaktive Funktion.
Auch die Materialwahl spielt eine große Rolle. Aluminiumoxid zeigt stärkere temperaturabhängige Spannungsanstiege als Titanoxid. Eine höhere n-Dotierung des Siliziums erhöht die Raumladungs-Kapazität und verbessert die Ausgangsleistung weiter.
Stabil und praxisnah
Langzeittests über mehr als 45 Stunden zeigen stabile Spannungen mit nur minimaler Drift. Selbst bei zyklischer Beleuchtung bleibt das Verhalten reproduzierbar. Das System reagiert schnell und konsistent.
Klar ist: Die Leistungsdichten liegen unterhalb klassischer Photovoltaik. Niemand wird damit ein Kraftwerk bauen. Der Ansatz zielt auf andere Anwendungen. In feuchten Umgebungen, an Gewässern oder in der Umweltüberwachung könnten solche Systeme dauerhaft kleine Leistungen liefern. Autonome Sensorik, IoT-Knoten oder Monitoring-Stationen brauchen genau das: kontinuierliche, wartungsarme Energie im Sub-Watt-Bereich.
