19 deutsche Forschungsinstitute habe es sich zum Ziel gesetzt, Solarzellen der dritten Generation zu entwickeln, mit denen Wasser gespalten werden kann. Nach Angaben der TU Darmstadt sind sie bei der Entwicklung schon wichtige Schritte voran gekommen. Die Forschung erfolgt im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Regenerative Erzeugung von Brennstoffen mittels lichtgetrieberner Wasserspaltung“, das noch bis März 2019 gefördert wird.
Die grundsätzliche Idee für diese Art der Energie-Speicherung kommt aus der Natur: Das Blatt einer Pflanze absorbiert Sonnenlicht und nimmt Kohlendioxid aus der Luft und Wasser aus dem Boden auf. Diese werden zu energiereichen Kohlenwasserstoffverbindungen wie Zucker umgewandelt. Die Forscher experimentieren damit, diese Prozesse nachzuahmen – sie entwickeln eine Solarzellen-Technik, die wie künstliche Blätter („Artificial Leaves“) funktioniert.
Noch sind Solarzellen der dritten Generation ineffizient und instabil
„Die Grundidee ist die Umwandlung von Photonen in chemische Speichermaterialien“, sagte Privatdozent Bernhard Kaiser von der TU Darmstadt. „Die künstlichen Zellen bestehen aus Halbleiterelektroden, die die Lichtenergie in elektrische Ladungsträger umwandeln. Statt diese direkt als Strom zu nutzen, sollen die Photoelektroden eingesetzt werden, um an der Oberfläche Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.“ Der entstehende Wasserstoff kann nahe bei der Zelle gespeichert werden. Die Energierückgewinnung erfolgt in einer Brennstoffzelle durch kontrollierte Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff.
Die bisherigen Lösungen sind jedoch ineffizient und instabil. Und genau da setzen die Forscher an: Sie möchten herausfinden, wie die beteiligten Prozesse genau funktionieren und welche Material-Kombinationen optimal sind. Um Wasser spalten zu können, benötigt ein Zellensystem eine Spannung von 1,6 bis 1,9 Volt. Eine Silizium-Solarzelle weist 0,7 Volt auf – und damit zu wenig.
Forschungszentrum Jülich erhöht die Photospannung
Das Forschungszentrum Jülich, ein Partner im Schwerpunktprogramm, hat daher mehrere Schichten aus amorphem und mikrokristallinem Silizium zu einer Zelle kombiniert. Diese absorbiert unterschiedliche Wellenlängen des Lichts und erhöht die Photospannung: Eine Vierfachzelle erzeugt zum Beispiel 2,5 V. Damit gelingt die Spaltung von Wassermolekülen.
Den Wissenschaftlern der TU Darmstadt um Professor Wolfram Jaegermann und Bernhard Kaiser geht es insbesondere um die Erforschung der Wechselwirkungen einer solchen Mehrfach-Zelle mit Schutzschichten und Elektrokatalysatoren. Sie entscheiden unter anderem darüber wie elektrisch leitfähig und damit effizient die Zelle ist. Die Darmstädter ermitteln, was auf atomarer Ebene passiert, wenn diese Materialien Lage für Lage im Labor zusammenwachsen.
So besitzen die Atome an der Oberfläche einer Schicht andere Eigenschaften als die Atome des gleichen Materials im Inneren. „Es kommt unter anderem zu Rekonstruktionen an der Oberfläche, also Verschiebungen der Atome und damit zu einer Veränderung der elektronischen Eigenschaften“, sagt Kaiser. „Dies und die hohe Reaktivität mit Molekülen aus der Atmosphäre können zu einer deutlichen Verschlechterung der angestrebten Materialeigenschaften führen.“
Forscher erreichen Effizienz bei Umwandlung von 9,5 Prozent
Die Detektivarbeit lohnt sich. Bei Dreifachzellen mit Platin als Katalysatorschicht und Rutheniumoxid als Gegenelektrode gelang den Forschern bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff eine Effizienz von 9,5 Prozent. „Das ist eine sehr gute Ausbeute in diesem frühen Stadium der Forschung“, sagt Kaiser. Verbesserungen verspricht er sich dabei, künftig die getesteten Zellen mit Solarzellen aus anderen Materialien zu kombinieren, um bei gleicher Sonnenstrahlung eine noch höhere Effizienz zu erzielen, sowie durch den Ersatz der Edelmetallkatalysatoren.
„Wasser wird zum Erdöl der Zukunft“
Neben der Suche nach idealen Photoabsorbern und Elektrokatalysatoren entwickeln die Forscher zudem ein immer besser werdendes Verständnis der den photokatalytischen Systemen zugrunde liegenden elektrochemischen Prinzipien. Mit effizienten und ökonomischen künstlichen Blättern ließe sich der erzeugte Wasserstoff in einem zukünftigen Energieszenario direkt mit Kohlendioxid zu gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen umwandeln. Diese könnten wie herkömmliche Kohlenwasserstoffverbindungen genutzt werden – damit wäre Wasser sozusagen das Erdöl oder die Kohle der Zukunft.
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