Künstliche Photosynthese im großen Maßstab

Die unstete Natur erneuerbarer Energiequellen richtet den Fokus der Forschung der­zeit auf effi­ziente Speicher­techno­logien. Mit der direkten photo­elektro­chemischen Wasser­spaltung, also künst­licher Photo­synthese durch eine Kombi­nation von Solar­zelle und Elektro­lyseur, lässt sich die Energie der Sonne direkt in das Speicher­medium Wasser­stoff um­wandeln. Jan-Philipp Becker und Bugra Turan vom Forschungs­zentrum Jülich haben jetzt ein realis­tisches Design eines solchen Systems ent­wickelt, das die Techno­logie aus den Laboren heraus­holt und eine prak­tische Anwen­dung möglich macht.

„Die photoelektrochemische Wasserspaltung wurde bis jetzt immer nur im Labor­maß­stab ge­testet“, erklärt Turan. „Die einzelnen Kompo­nenten und Materi­alien wurden ver­bessert, aber keiner hat wirk­lich ver­sucht, näher an eine Anwen­dung zu kommen.“ Das Design der beiden Forscher unter­scheidet sich deut­lich von den üb­lichen Labor­experi­menten. Statt finger­nagel­großer einzelner Kompo­nenten, die unter­ein­ander mit Drähten ver­bunden sind, ent­wickelten sie ein kompaktes, in sich geschlos­senes System – komplett aus kosten­günstigen, leicht verfüg­baren Materi­alien.

Mit einer Fläche von 64 Quadrat­zenti­metern wirkt ihr Bau­ele­ment noch immer relativ klein. Der Trick ist jedoch das flexible Design: Durch die ständige Wieder­holung der Basiseinheit lassen sich künftig auch quadrat­meter­große Systeme her­stellen. Die Basis­ein­heit wiede­rum besteht aus mehreren Solar­zellen, die durch eine spezielle Laser­technik mit­ein­ander ver­schaltet sind. „Durch diese Serien­ver­schal­tung er­reicht jede Ein­heit die für die Wasser­stoff­ge­winnung nötige Spannung von 1,8 Volt“, so Becker. „Im Gegen­satz zu den bis­lang in Labor­experi­menten üb­lichen Konzepten zur Auf­ska­lierung erlaubt diese Methode eine höhere Effi­zienz.“

Momentan liegt die Sonne-zu-Wasserstoff-Effizienz des Proto­typs bei 3,9 Prozent. „Das klingt nicht nach viel“, gibt Turan zu. „Doch das ist natür­lich nur ein erster Ent­wurf einer voll­stän­digen Anlage. Da ist noch mehr drin.“ Auf bis zu zehn Prozent könne man mit dem Design in relativ kurzer Zeit und unter Ver­wendung be­kannter Solar­zellen­materi­alien kommen, so Becker. Aber es gibt auch andere Ansätze. Zum Bei­spiel Perowskit, ein neu­artiges Hybrid­material, mit dem man jetzt schon Wirkungs­grade bis zu 14 Prozent er­reichen könnte.

Das ist einer der großen Pluspunkte des neuen Designs. Es erlaubt die unab­hängige Opti­mierung der beiden Haupt­kompo­nenten: des photo­volta­ischen Teils, der Strom aus Sonnen­energie gewinnt, und des elektro­che­mischen Teils, der diesen Strom zur Wasser­spaltung ein­setzt. Das paten­tierte Konzept der beiden Forscher ist flexibel: Es ist für jede Dünn­schicht-Photo­voltaik-Techno­logie an­wend­bar und für ver­schie­dene Elektro­lyse­arten.

FZJ / RK