Neuer Weltrekord bei der direkten solaren Wasserspaltung

Aufbau der Photokathode: Licht fällt durch die transparente Schutzschicht mit katalytisch aktiven Rhodium-Partikeln in die Tandemzelle. Bild ACS Energy Letters

Aufbau der Photokathode: Licht fällt durch die transparente Schutzschicht mit katalytisch aktiven Rhodium-Partikeln in die Tandemzelle. Bild ACS Energy Letters

In einem nachhaltigen Energiesystem wird Wasserstoff als Speichermedium eine wichtige Rolle spielen. Einem internationalen Forscher-Team ist es jetzt gelungen, den Wirkungsgrad für die direkte solare Wasserspaltung zur Wasserstoffgewinnung auf 19 Prozent zu steigern. Sie kombinierten dafür eine Tandem-Solarzelle aus III-V-Halbleitern mit Rhodium-Nanopartikeln und kristallinem Titandioxid. An der Forschungsarbeit waren Teams aus dem California Institute of Technology, der University of Cambridge, der TU Ilmenau und dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE beteiligt. Ein Teil der Experimente fand am Institut für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin statt.

Sonnenlicht steht weltweit reichlich zur Verfügung – allerdings nicht rund um die Uhr. Ein Lösungsansatz besteht darin, Sonnenlicht in Form von chemischer Energie zu speichern, konkret: mit Sonnenlicht Wasserstoff zu produzieren. Denn Wasserstoff lässt sich gut speichern und vielseitig nutzen, ob in einer Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom und Wärme oder als Ausgangsbasis für Brennstoffe. Kombiniert man Solarzellen mit Katalysatoren und weiteren funktionalen Schichten zu einer „monolithischen Photoelektrode“ aus einem Block, wird die Aufspaltung von Wasser besonders einfach: dabei befindet sich die Photokathode im wässrigen Medium und wenn Licht auf sie fällt, bildet sich auf der Vorderseite Wasserstoff, auf der Rückseite Sauerstoff.

Lichtdurchlässiger Korrosionsschutz

Für die hier untersuchte monolithische Photokathode haben die Forscher eine am Fraunhofer ISE entwickelte hocheffiziente Tandem-Zelle aus III-V-Halbleitern mit weiteren funktionalen Schichten kombiniert. Dabei gelang es ihnen, die Verluste durch Lichtreflexion und Absorption an der Oberfläche deutlich zu verringern. „Darin besteht auch die Innovation“, erläutert Prof. Hans-Joachim Lewerenz, Caltech, USA: „Denn bereits 2015 konnten wir in einer früheren Zelle einen Wirkungsgrad von über 14 Prozent erreichen, damals ein Weltrekord. Hier haben wir die Antikorrosionsschicht durch eine kristalline Titandioxid-Schicht ersetzt, die nicht nur hervorragende Antireflexionseigenschaften besitzt, sondern an der auch die Katalysator-Teilchen haften bleiben“. Und Prof. Harry Atwater,  Caltech, fügt an: „Außerdem haben wir ein neues elektrochemisches Verfahren genutzt, um die Rhodium-Nanoteilchen herzustellen, die als Katalysatoren für die Wasserspaltung dienen. Sie messen nur 10 Nanometer im Durchmesser und sind damit optisch nahezu transparent, also ideal geeignet für ihre Aufgabe.“

Wirkungsgrad 19,3 Prozent

Unter simulierter Sonneneinstrahlung erzielten die Wissenschaftler einen Wirkungsgrad von 19,3 Prozent (in verdünnterwässriger Perchlorsäure), in (neutralem) Wasser immerhin noch 18,5 Prozent. Dies reicht schon nah an den theoretisch maximalen Wirkungsgrad von 23 Prozent heran, der sich mit dieser Kombination von Schichten aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften erreichen lässt.

Verbesserungen bei der Stabilität

„Die kristalline Titandioxid-Schicht schützt die eigentliche Solarzelle nicht nur vor Korrosion, sondern verbessert durch ihre günstigen elektronischen Eigenschaften auch den Ladungstransport“, sagt Dr. Matthias May, der einen Teil der Experimente zur Effizienzbestimmung am HZB-Institut für Solare Brennstoffe durchgeführt hat, im Vorläuferlabor der Solar Fuel Testing Facility der Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF). Der nun publizierte Rekordwert basiert auf Arbeiten, die May bereits als Doktorand am HZB begonnen hatte und für die er 2016 den Helmholtz-Doktoranden-Preis im Forschungsbereich Energie erhielt. „Die Stabilität konnten wir auf knapp 100 Stunden steigern; das ist ein großer Fortschritt im Vergleich zu Vorgängersystemen, die bereits nach 40 Stunden korrodiert waren. Dennoch bleibt hier noch viel zu tun“, erklärt May.

Ausblick: Tandemzellen mit Silizium

Denn noch ist dies Grundlagenforschung an kleinen, hochpreisigen Systemen im Labor. Aber die Forscher sind optimistisch: „Diese Arbeit zeigt, dass maßgeschneiderte Tandem-Zellen für die direkte solare Wasserspaltung das Potential haben, Wirkungsgrade jenseits von 20 Prozent zu erreichen. Ein Ansatz dafür ist die noch bessere Wahl der Bandlückenenergien der beiden Absorbermaterialien in der Tandem-Zelle. Und eines der beiden könnte dabei sogar Silizium sein“, erklärt Prof. Thomas Hannappel, TU Ilmenau. Teams am Fraunhofer ISE und der TU Ilmenau arbeiten daran, Zellen zu entwerfen, in denen III-V-Halbleiter mit dem preisgünstigem Silizium kombiniert werden, was die Kosten erheblich senken könnte.

Zur Publikation in ACS Energy Letters: "Monolithic Photoelectrochemical Device for Direct Water Splitting with 19% Efficiency” Wen-Hui Cheng, Matthias H. Richter, Matthias M. May, Jens Ohlmann , David Lackner , Frank Dimroth, Thomas Hannappel , Harry A. Atwater , Hans-Joachim Lewerenz

Doi:10.1021/acsenergylett.8b00920

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • Leitender Sasol-Forscher kommt als Industrial Research Fellow ans HZB
    Nachricht
    11.02.2025
    Leitender Sasol-Forscher kommt als Industrial Research Fellow ans HZB
    Das HZB arbeitet mit dem südafrikanischen Unternehmen Sasol im Projekt CARE-O-SENE an nachhaltigem Kerosin für die Luftfahrt (SAF) und entwickelt dafür innovative Katalysatoren. Nun verstärkt sich die Zusammenarbeit: Mit Dr. Denzil Moodley kommt ein leitender Wissenschaftler aus dem Bereich Fischer-Tropsch bei Sasol Research and Technology an das HZB. Moodley wird am HZB seine Expertise einbringen, mit dem Ziel, den Innovationszyklus für nachhaltige Kraftstofftechnologien zu beschleunigen.
  • Vortragsreihe zu BIPV auf der Inolope Expo 2025
    Nachricht
    06.02.2025
    Vortragsreihe zu BIPV auf der Inolope Expo 2025
    Das Helmholtz-Zentrum Berlin und BAIP - Beratungsstelle für Bauwerkintegrierte Photovoltaik sind Partner der Inolope Expo 2025 – der Business-Plattform für innovative Gebäudehüllen.

    An unserem Stand 7.F02 laden wir zu Gesprächen  und Informationen zu BIPV ein. An zwei Tagen präsentieren wir praxisorientierte Vorträge zum Thema bauwerkintegrierte Photovoltaik und Insights zu unserem Real-labor Testinghalle. Hier erfahren Sie, wie Sie mit solarer Architektur auf innovative, ästhetische und nachhaltige Weise gestalten.

  • HZB schafft erneut Weltrekord bei CIGS-Pero-Tandemsolarzellen
    Nachricht
    04.02.2025
    HZB schafft erneut Weltrekord bei CIGS-Pero-Tandemsolarzellen
    Durch die Kombination von zwei Halbleiterdünnschichten zu einer Tandemsolarzelle sind hohe Wirkungsgrade bei minimalem ökologischem Fußabdruck erreichbar. Teams aus dem HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin haben nun eine Tandemzelle aus CIGS und Perowskit vorgestellt, die mit einem Wirkungsgrad von 24,6 % den neuen Weltrekord hält. Dieser Wert wurde durch das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE zertifiziert.