In einem nachhaltigen Energiesystem wird Wasserstoff als Speichermedium eine wichtige Rolle spielen. Einem internationalen Forscherteam 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.
Abb.: Aufbau der Photokathode: Licht fällt durch die transparente Schutzschicht mit katalytisch aktiven Rhodium-Partikeln in die Tandemzelle. (Bild: W.-H. Cheng et al. / ACS)
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.
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 Hans-Joachim Lewerenz vom Caltech in den 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“.
Sein Caltech-Kollege Harry Atwater ergänzt: „Außerdem haben wir ein neues elektrochemisches Verfahren genutzt, um die Rhodium-Nanoteilchen herzustellen, die als Katalysatoren für die Wasserspaltung dienen. Sie messen nur zehn Nanometer im Durchmesser und sind damit optisch nahezu transparent, also ideal geeignet für ihre Aufgabe.“ Unter simulierter Sonneneinstrahlung erzielten die Wissenschaftler einen Wirkungsgrad von 19,3 Prozent in verdünnter wässriger Perchlorsäure, in neutralem Wasser immerhin noch 18,5 Prozent. Das 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“, sagt Matthias May, der einen Teil der Experimente zur Effizienzbestimmung am HZB-Institut für solare Brennstoffe durchgeführt hat. „Die Stabilität konnten wir auf knapp hundert Stunden steigern. Das ist ein großer Fortschritt im Vergleich zu Vorgängersystemen, die bereits nach vierzig Stunden korrodiert waren. Dennoch bleibt hier noch viel zu tun.“
Denn noch handelt 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 Potenzial haben, Wirkungsgrade jenseits von zwanzig Prozent zu erreichen“, erklärt Thomas Hannappel von der TU Ilmenau. „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.“ 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.
HZB / RK
