Einem internationalen Forscher-Team ist es gelungen, den Wirkungsgrad für die direkte solare Wasserspaltung zur Wasserstoffgewinnung auf 19,3 Prozent zu steigern. Wie das Helmholtz-Zentrum Berlin mitteilte, kombinierten sie 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 (Caltech), 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.
Bei der Wasserstoffgewinnung aus Solarenergie kommt eine „monolithische Photoelektrode“ zum Einsatz, die Solarzellen mit Katalysatoren und weiteren funktionalen Schichten kombiniert. Die Photokathode befindet sich dabei in einem wässrigen Medium und wenn Licht auf sie fällt, bildet sich auf der Vorderseite Wasserstoff, auf der Rückseite Sauerstoff.
Forschern entwickelten lichtdurchlässigen Korrosionsschutz
Im Rahmen des internationalen Kooperationsprojekts haben die Forscher zum Bau der monolithischen Photokathode 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“, sagte Caltech-Professor Hans-Joachim Lewerenz. „Denn bereits 2015 konnten wir in einer früheren Zelle einen Wirkungsgrad von über 14 Prozent erreichen, damals ein Weltrekord“.
Für den neuen Rekord haben die Forscher die Antikorrosionsschicht durch eine kristalline Titandioxid-Schicht ersetzt, die nicht nur hervorragende Antireflexionseigenschaften besitzt, sondern an der auch die Katalysator-Teilchen haften bleiben. „Außerdem haben wir ein neues elektrochemisches Verfahren genutzt, um die Rhodium-Nanoteilchen herzustellen, die als Katalysatoren für die Wasserspaltung dienen“, ergänzte Caltech-Professor Harry Atwater. „Sie messen nur zehn Nanometer im Durchmesser und sind damit optisch nahezu transparent, also ideal geeignet für ihre Aufgabe.“
Wirkungsgrad von 19,3 Prozent nah am theoretischen Maximum
Unter simulierter Sonneneinstrahlung erzielten die Wissenschaftler einen Wirkungsgrad von 19,3 Prozent (in verdünnter wässriger 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.
„Die kristalline Titandioxid-Schicht schützt die eigentliche Solarzelle nicht nur vor Korrosion, sondern verbessert durch ihre günstigen elektronischen Eigenschaften auch den Ladungstransport“, sagte 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).
Verbesserung bei der Stabilität auf 100 Stunden erreicht
Der nun publizierte Rekordwert basiere 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.
Tandemzellen mit Silizium könnten Kosten zukünftig senken
Denn noch handele es sich um 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“, so Professor Thomas Hannappel von der 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.
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