Konzentrierte Konversion

Pflanzen können Sonnenlicht auffangen und chemisch speichern. Dieses Kunststück auf großtechnischer Skala nachzumachen, gelingt uns heute aber noch nicht besonders gut. Photo­voltaik wandelt das Licht direkt in Strom um – aber bei hohen Temperaturen nimmt der Wirkungsgrad konventioneller Solar­zellen deutlich ab. Wenn man den Strom zur Gewinnung von Wasser­stoff nutzt, kann man die Energie chemisch speichern, doch die Effizienz dieses Prozesses ist begrenzt.

An der TU Wien haben Forscher nun ein neues Konzept entwickelt: Durch die Auswahl ganz spezieller Materialien gelang es, Hochtemperatur-Photo­voltaik mit einem elektrochemischen Element zu kombinieren. Damit kann man UV-Licht nutzen, um Sauerstoffionen durch eine keramische Elektrolyt­membran zu pumpen – so wird die Energie des UV-Lichts chemisch gespeichert. In Zukunft soll man mit dieser Methode Wasser mit Sonnenlicht direkt in Wasserstoff und Sauerstoff spalten können.

Schon als Student hatte Georg Brunauer immer wieder darüber nachgedacht, wie man Photo­voltaik und elektro­chemische Speicherung kombinieren könnte. Allerdings müsste ein solches System bei hohen Temperaturen funktionieren. „Dann könnte man nämlich das Licht der Sonne mit Spiegeln konzentrieren und große Anlagen mit hohem Wirkungsgrad bauen“, sagt Brunauer. Gewöhnliche Solar­zellen funktionieren allerdings nur bis etwa 100 Grad Celsius gut – in einem Solar­konzentrator-Kraftwerk würden viel höhere Temperaturen entstehen.

Bei der Arbeit an seiner Dissertation gelang es Brunauer dann, einen Lösungsansatz für dieses Problem umzusetzen – und zwar mit einer ungewöhnlichen Wahl von Materialien. Anstatt silizium-basierter Photo­voltaik nutzte er spezielle Misch­metall­oxide vom Typ Perovskit. Durch die Kombination mehrerer verschiedener Metalloxide ließ sich eine Zelle herstellen, die Hochtemperatur-Photovoltaik und Elektrochemie vereint. Neben dem Team von Karl Ponweiser, Brunauers Dissertationsbetreuer am Institut für Energietechnik und Thermodynamik, waren auch noch andere Forschungsgruppen der TU Wien am Projekt beteiligt: Das Elektrochemie-Team von Jürgen Fleig (Chemische Technologien und Analytik) sowie das Atominstitut der TU Wien.

„Unsere Zelle besteht aus zwei verschiedenen Teilen – nämlich aus einem oberen photoelektrischen und einen unteren elektrochemischen Teil“, sagt Georg Brunauer. „In der oberen Schicht werden durch Beleuchtung freie Ladungsträger erzeugt, genau wie in einer gewöhnlichen Solarzelle.“ Die Elektronen werden allerdings sofort wegtransportiert und auf die untere Seite der elektrochemischen Zelle geleitet. Das führt dazu, dass Sauerstoff­atome dort negativ aufgeladen werden und dann durch die untere Schicht der Zelle hindurchwandern können.

„Das ist der entscheidende photoelektrochemische Schritt, der in weiterer Folge dann die Grundlage für Wasserzerlegung und Wasser­stoff­produktion sein soll“, erklärt Brunauer. Die Vorstufe dazu – eine mit UV-Licht angetriebene Sauerstoff-Pumpe, funktioniert bereits und liefert bei 400 Grad Celsius eine Leer­lauf­spannung von bis zu 920 Millivolt.

Damit ist die Forschung zur photo-elektro­chemischen Festoxid­zelle freilich noch nicht abgeschlossen: „Weiterführende Arbeiten sind wichtig, um den Effekten phänomenologisch auf den Grund zu gehen und damit das Material noch weiter optimieren zu können“, sagt Brunauer. Wenn die elektrische Leistung noch etwas gesteigert wird, lässt sich mit der Zelle Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. „Dieses Ziel ist in Griffweite, jetzt wo wir bewiesen haben, dass das Grundprinzip funktioniert“, sagt Georg Brunauer. Nicht nur zur Wasser­stoff­produktion eignet sich das neue Konzept; man könnte auch CO2 aufspalten und daraus CO in Hinblick für die Kraftstoff­synthese gewinnen.

TU Wien / DE