Katalysator im Kunststoffmantel schützt „Künstliches Blatt“

Diese komplexe Solarzelle ist mit zwei unterschiedlichen Katalysatoren beschichtet und funktioniert wie ein „künstliches Blatt“: sie nutzt Sonnenlicht, um Wasser aufzuspalten und Wasserstoffgas zu erzeugen.

Diese komplexe Solarzelle ist mit zwei unterschiedlichen Katalysatoren beschichtet und funktioniert wie ein „künstliches Blatt“: sie nutzt Sonnenlicht, um Wasser aufzuspalten und Wasserstoffgas zu erzeugen.

Speicherlösungen für die unregelmäßig verfügbare Solarenergie werden dringend gesucht. Eine Lösung ist es, die in Solarzellen erzeugte elektrische Energie zu nutzen, um durch Elektrolyse Wasser aufzuspalten und so den Brennstoff Wasserstoff zu erzeugen. Forscher am HZB-Institut für Solare Brennstoffe modifizieren so genannte Superstrat-Solarzellen, die eine sehr effiziente Architektur besitzen, um mit geeigneten Katalysatoren Wasserstoff aus Wasser zu produzieren. Diese Zelle funktioniert wie ein „künstliches Blatt“. Doch im wässrigen Elektrolyten korrodiert die Solarzelle rasch. Nun hat eine Doktorandin des Teams, Diana Stellmach, als erste Wissenschaftlerin in Europa eine neue Lösung gefunden, um die Korrosion zu verhindern: Sie bettet die Katalysatoren in einen leitfähigen Kunststoff ein und bringt sie dann auf die beiden Kontakte der Solarzelle auf. Damit versiegelt sie die empfindlichen Kontakte der Zelle gegen Korrosion und ermöglicht eine stabile Ausbeute von etwa 3,7 Prozent des Sonnenlichts.

Wasserstoff speichert Energie auf chemische Weise und ist vielseitig einsetzbar. Das Gas kann zu Brennstoffen wie Methan weiterverarbeitet werden oder direkt in Brennstoffzellen Strom erzeugen. Wasserstoff lässt sich durch die elektrolytische Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff herstellen; dafür sind zwei Elektroden nötig, die mit geeigneten Katalysatoren beschichtet sind und zwischen denen eine Spannung (mindestens 1,23 V) anliegt. Interessant wird die Erzeugung von Wasserstoff aber erst, wenn dafür Solarenergie genutzt werden kann. Denn das würde zwei Probleme auf einmal lösen: An sonnigen Tagen könnte überschüssiger Strom Wasserstoff erzeugen, der dann nachts oder an trüben Tagen als Brennstoff oder zur Stromerzeugung zur Verfügung stünde.  

Neue Ansätze mit komplexen Dünnschicht-Silizium-Solarzellen

Am Institut für Solare Brennstoffe des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) arbeiten Forscher an neuen Ansätzen, um dieses Ziel zu verfolgen: Dafür nutzen sie photovoltaische Strukturen aus mehreren, extrem dünnen Silizium-Schichten, die am Photovoltaik-Kompetenzzentrum-Berlin (PVcomB), einem anderen Institut des HZB, maßgeschneidert gefertigt werden. Weil die Zelle aus einem einzigen – wenn auch komplex aufgebauten – „Block“ besteht, spricht man von einem monolithischen Ansatz. Die elektrischen Kontaktflächen der Zelle werden im Institut für Solare Brennstoffe mit speziellen Katalysatoren für die Wasserspaltung beschichtet. Wird diese Zelle in verdünnte Schwefelsäure eingetaucht und mit sonnenähnlichem Licht bestrahlt, entsteht an den Kontakten eine Spannung, die für die Aufspaltung von Wasser genutzt werden kann. Elementar wichtig sind in diesem Prozess die Katalysatoren, die die Reaktionen an den Kontakten beschleunigen.

Neue Lösung verhindert Korrosion

Der Vorteil der photovoltaischen Zellen des PVcomB ist deren „Superstrat- Architektur“: Das Licht fällt durch den transparenten Frontkontakt ein, der auf dem Trägerglas abgeschieden ist; es gibt keine Verschattung durch aufgebrachte Katalysatoren. Die Katalysatoren befinden sich nämlich auf der Rückseite der Solarzelle und sind im Kontakt mit dem Wasser/Säuregemisch. Dieses ist sehr angriffslustig, das heißt korrosiv, so dass Diana Stellmach im ersten Schritt den üblichen Zinnoxid-Silber-Rückkontakt durch eine Beschichtung mit Titan von etwa 400 Nanometern Dicke ersetzen musste. Im zweiten Schritt entwickelte sie eine Lösung, um mit dem Aufbringen des Katalysators gleichzeitig die Zelle gegen Korrosion zu schützen: Sie mischte RuO2-Nanoteilchen in ein leitfähiges Polymer (PEDOT:PSS) und trug diese Mischung als Katalysator für die Sauerstoffbildung auf dem Rückseitenkontakt der Zelle auf. Auf den Frontkontakt wurden in analoger Weise Platin Nanoteilchen aufgebracht, an denen die Wasserstoffentwicklung abläuft.

Erstmals stabile Produktionsraten

Insgesamt erzielte die Konfiguration einen Wirkungsgrad von 3,7 % und war über mindestens 18 Stunden stabil. „Damit ist Frau Stellmach die erste Wissenschaftlerin in Europa, die eine solche wasserspaltende Solarzellenstruktur realisiert hat“, erklärt Prof. Dr. Sebastian Fiechter. Vielleicht sogar weltweit, denn anders aufgebaute Photovoltaikmembranen erwiesen sich als weniger stabil. Allerdings müssen die teuren Katalysatoren wie Platin und RuO2 langfristig noch durch preiswertere Stoffe ersetzt werden. Auch daran arbeitet Diana Stellmach bereits; sie entwickelt nun Kohlenstoff-Nanoröhren, die mit Molybdän-Sulfid-Schichten ummantelt sind und als Katalysatoren für die Wasserstoffentwicklung dienen.

Hier können Sie die Zelle in Aktion sehen: http://www.helmholtz-berlin.de/mediathek/video/energieversorgung/superstratzelle_de.html

 

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • HZB gratuliert Peter Hegemann zum Nobelpreis
    Nachricht
    14.10.2026
    HZB gratuliert Peter Hegemann zum Nobelpreis
    Unser herzlicher Glückwunsch geht an Peter Hegemann, Professor für Neurowissenschaften und für Experimentelle Biophysik an der Humboldt-Universität zu Berlin. Gemeinsam mit Prof. Georg Nagel (Julius-Maximilians-Universität Würzburg) und Prof. Karl Deisseroth (Stanford University, USA) hat er den Nobelpreis für Medizin oder Physiologie 2026 gewonnen. Wir freuen uns sehr für ihn, sein Team, die Humboldt-Universität und die gesamte Berliner Wissenschaft.
  • Gibt es eine Afrikanische Architektur?
    Interview
    08.10.2026
    Gibt es eine Afrikanische Architektur?
    Die weltweit erste Pan-African Biennale zu Architektur fand in diesem September in Nairobi, Kenia statt. Menschen aus Architektur, Kunst, Wissenschaft und Politik aus 54 afrikanischen Ländern und der Diaspora waren nach Nairobi gekommen, um sich dort auszutauschen: Zu traditionellen und aktuellen Bauweisen, Materialien, Erfahrungen und Projekten. Samira Aden hat diese Biennale als leitende Kuratorin mit organisiert. Wir haben mit ihr gesprochen.
  • Nanosilber als Elektrokatalysator für die CO₂-Verwertung
    Science Highlight
    24.09.2026
    Nanosilber als Elektrokatalysator für die CO₂-Verwertung
    Durch Elektrolyse lässt sich CO2 zu CO reduzieren, einem Ausgangsstoff für weitere chemische Produkte wie beispielsweise Kraftstoffe. Im Rahmen des GreenQUEST-Projekts hat ein internationales Team um den HZB-Chemiker Prashanth Menezes Katalysatorschichten aus Silbernanopartikeln systematisch untersucht und dabei sowohl die Partikelgröße als auch deren Dichte variiert. Die beste Ausbeute wurde mit Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 10 nm erzielt, die locker verteilt waren. Darüber hinaus zeigten sie, wie sich die Wirtschaftlichkeit der elektrochemischen Zelle durch eine zusätzliche chemische Reaktion an der Anode verbessern lässt, indem gleichzeitig wertvolle Ameisensäure, Wasserstoff und CO erzeugt wird.