Künstliche Photosynthese: Neue Photokathode mit viel Potential

Ein Team des HZB-Instituts für Solare Brennstoffe hat eine neue Komposit-Photokathode entwickelt, um mit Sonnenlicht effizient Wasserstoff zu erzeugen. Damit kann Solarenergie chemisch gespeichert werden. Die Photokathode besteht aus einer Chalkopyrit-Dünnschicht vom PVComB, die mit einem neu entwickelten dünnen Film aus Titandioxid beschichtet ist, in den Platin-Nanoteilchen eingebettet sind. Diese Schicht schützt die Chalkopyrit-Dünnschicht nicht nur vor Korrosion, sondern beschleunigt außerdem als Katalysator die Wasserstoffbildung und weist selbst hohe Photostromdichte und Photospannung auf.

Manche kennen die elektrolytische Aufspaltung von Wasser vielleicht noch aus der Schule: Hält man zwei Elektroden ins Wasser und legt eine ausreichende Spannung an, dann bilden sich Gasbläschen aus Wasserstoff und Sauerstoff. Wird diese Spannung nun durch Sonnenlicht in einer Solarzelle erzeugt, dann könnte man die flüchtige Solarenergie speichern, und zwar durch die Erzeugung von Wasserstoffgas. Denn Wasserstoff ist ein „chemischer Energiespeicher“ und vielseitig verwendbar. Weltweit arbeiten Forschungsgruppen daher mit Hochdruck daran, kompakte, robuste und preiswerte Systeme zu entwickeln, die dieses Kunststück beherrschen. Doch das ist nicht einfach: Denn die Wasserstofferzeugung funktioniert am besten in saurer Umgebung, in der Solarzellen rasch korrodieren. Und Elektroden, die die Reaktion beschleunigen, bestehen bislang aus extrem teuren Elementen wie Platin oder Platin-Iridium-Verbindungen.

Neue Photokathode löst mehrere Probleme

Nun hat ein Team aus dem HZB-Institut für Solare Brennstoffe im Rahmen des BMBF-Cluster Projektes „Light2Hydrogen“ sowie im laufenden DFG-Schwerpunktprogramm „Solar H₂“ eine neuartige Photoelektrode entwickelt, die diese Probleme löst: Sie besteht aus dem Solarzell-Material Chalkopyrit, das mit einem dünnen, transparenten und leitfähigen Film aus Titandioxid (TiO₂) beschichtet ist. Die Besonderheit: der TiO₂-Film ist polykristallin und enthält einen kleinen Anteil an Nanopartikeln aus Platin. Dadurch entfaltet dieses neue Komposit besondere Talente: Es erzeugt erstens bei Lichteinfall eine erhebliche sogenannte Photospannung von fast 0,5 Volt, zweitens hohe Photostromdichten von bis zu 38 mAcm^-2, beschleunigt drittens als Katalysator die Wasserstoffbildung und ist viertens vor Korrosion geschützt. Da TiO₂ transparent ist, erreicht ein großes Teil des Lichtes das photoaktive Chalkopyrit, was zu den hohen Photostromdichten und damit auch Photospannungen, vergleichbar mit einer konventionellen Dünnschicht-Solarzelle, führt.

Raffinierte Beschichtung ausgetüftelt

Das Rezept für diese raffinierte Beschichtung hat Anahita Azarpira während ihrer laufenden Promotion im Team um Privatdozent Dr. Thomas Schedel-Niedrig ausgetüftelt. Sie nutzt ein chemisches Verdampfungsdeposition-Verfahren(Spray-ILGAR), das am HZB-Institut für Heterogene Materialsysteme entwickelt und patentiert wurde. Dabei werden chemische Vorprodukte von Titandioxid und Platin in Ethanol gelöst und mit Ultraschall vernebelt. Das so entstehende  Aerosol, wird mit Hilfe eines Stickstoffgasstroms über das geheizte Substrat geleitet, so dass mit der Zeit eine  feste, polykristalline Schicht auf dem Chalkopyrit wächst, in die winzige Platinpartikel eingebaut sind.

Mehr als 80 % des Sonnenlichts werden genutzt

Azarpira und ihre Kollegen variierten dabei den Platinanteil und untersuchten die Eigenschaften der so entstandenen Komposit-Schicht. Bei einem Volumenanteil von etwa 5% Platin (H₂PtCl₆) in der Precursorlösung erwiesen sich die Eigenschaften als optimal: „Mehr als 80 % des einfallenden Sonnenlichts im sichtbaren Spektrum werden in diesem Komposit-System in Photostrom umgewandelt und steht damit zur Wasserstofferzeugung zur Verfügung“, sagt Schedel-Niedrig. Das bedeutet, dass kaum Licht verloren geht und die Lichtausbeute sehr groß ist. Hinzu kommt die in der Veröffentlichung beschriebene, hohe Langzeitstabilität von über 25 Stunden und die große photoelektrokatalytische Aktivität von ca. 690 erzeugten Wasserstoffmolekülen pro Sekunde und pro aktivem Zentrum auf der Katalysatoroberfläche unter Beleuchtung.

Demonstrator-Gerät angefertigt

Dennoch gibt es noch viel zu tun. Denn zurzeit kommt ein Großteil der benötigten  Spannung von insgesamt ca. 1.8 Volt zwischen der Komposit-Photokathode und der Platin-Gegenelektrode noch aus einer Batterie, der Wirkungsgrad muss also noch verbessert werden. „Wir konnten jedoch mit dieser Arbeit bereits zeigen, dass solche robusten Systeme das Potenzial haben, in Zukunft autark Solarenergie chemisch zu speichern und haben bereits ein Demonstrator-Gerät zur solaren Wasserstoffentwicklung zusammen mit einer Schweriner Firma im Rahmen des „Light2Hydrogen“-Projektes realisieren können“, so Schedel-Niedrig.

Publikation: Azarpira, A., Lublow, M., Steigert, A., Bogdanoff, P., Greiner, D., Kaufmann, C. A., Krüger, M., Gernert, U., van de Krol, R., Fischer, A. and Schedel-Niedrig, T. (2015), Efficient and Stable TiO₂:Pt–Cu(In,Ga)Se₂ Composite Photoelectrodes for Visible Light Driven Hydrogen Evolution. Adv. Energy Mater.

doi: 10.1002/aenm.201402148

PS: In einem kurzen Filmclip wird die Herstellung der Komposit-Photokathode anschaulich demonstriert. Sie können diesen Clip im HZB-Youtube-Kanal ansehen: