Sonne tanken, billig und stabil

Weltweit arbeiten Forschungsgruppen mit Hochdruck daran, kompakte, robuste und preiswerte Systeme zu entwickeln, die Sonnenlicht in Wasserstoff umwandeln. Doch das ist nicht einfach: Denn die Wasserstofferzeugung funktioniert am besten in saurer Umgebung, in der Solarzellen rasch korrodieren. Und Elektroden, die die Reaktion beschleunigen, bestehen bislang aus extrem teuren Elementen wie Platin oder Platin-Iridium-Verbindungen.

Nun hat ein Team aus dem Institut für Solare Brennstoffe des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie im Rahmen des BMBF-Cluster-Projektes „Light2Hydrogen“ sowie im laufenden DFG-Schwer­punkt­programm „Solar H2“ eine neuartige Photoelektrode entwickelt, die diese Probleme löst: Sie besteht aus dem Solarzell-Material Chalkopyrit, das mit einem dünnen, transparenten und leitfähigen Film aus Titandioxid beschichtet ist. Die Besonderheit: der Titandioxid-Film ist poly­kristallin und enthält einen kleinen Anteil an Nanopartikeln aus Platin. Dadurch entfaltet dieses neue Komposit besondere Talente: Es erzeugt erstens bei Licht­einfall eine erhebliche Photo­spannung von fast 0,5 Volt, zweitens hohe Photostromdichten von bis zu 38 mA cm^-2, beschleunigt drittens als Katalysator die Wasserstoffbildung und ist viertens vor Korrosion geschützt. Da Titandioxid transparent ist, erreicht ein großes Teil des Lichtes das photoaktive Chalkopyrit, was zu den hohen Photo­strom­dichten und damit auch Photo­spannungen, vergleichbar mit einer konventionellen Dünnschicht-Solarzelle, führt.

Das Rezept für diese raffinierte Beschichtung hat Anahita Azarpira während ihrer laufenden Promotion bei Thomas Schedel-Niedrig ausgetüftelt. Sie nutzt ein chemisches Verdampfungsdeposition-Verfahren (Spray-ILGAR), das am HZB-Institut für Heterogene Material­systeme entwickelt und patentiert wurde. Dabei werden chemische Vorprodukte von Titandioxid und Platin in Ethanol gelöst und mit Ultraschall vernebelt. Das so entstehende Aerosol wird mit Hilfe eines Stickstoffgasstroms über das geheizte Substrat geleitet, so dass mit der Zeit eine feste, polykristalline Schicht auf dem Chalkopyrit wächst, in die winzige Platinpartikel eingebaut sind.

Azarpira und ihre Kollegen variierten dabei den Platinanteil und untersuchten die Eigenschaften der so entstandenen Komposit-Schicht. Bei einem Volumenanteil von etwa fünf Prozent Platin in der Precursorlösung erwiesen sich die Eigenschaften als optimal: „Mehr als 80 Prozent des einfallenden Sonnenlichts im sichtbaren Spektrum werden in diesem Komposit-System in Photostrom umgewandelt und stehen damit zur Wasser­stoff­erzeugung zur Verfügung“, sagt Schedel-Niedrig. Das bedeutet, dass kaum Licht verloren geht und die Licht­ausbeute sehr groß ist. Hinzu kommt die hohe Langzeitstabilität von über 25 Stunden und die große photo­elektro­katalytische Aktivität von zirka 690 erzeugten Wasserstoffmolekülen pro Sekunde und pro aktivem Zentrum auf der Katalysator­oberfläche unter Beleuchtung.

Dennoch gibt es noch viel zu tun. Denn zurzeit kommt ein Großteil der benötigten Spannung von insgesamt rund 1,8 Volt zwischen der Komposit-Photokathode und der Platin-Gegen­elektrode noch aus einer Batterie, der Wirkungsgrad muss also noch verbessert werden. „Wir konnten jedoch mit dieser Arbeit bereits zeigen, dass solche robusten Systeme das Potenzial haben, in Zukunft autark Solarenergie chemisch zu speichern und haben bereits ein Demonstrator-Gerät zur solaren Wasserstoff­entwicklung zusammen mit einer Schweriner Firma im Rahmen des „Light2Hydrogen“-Projektes realisieren können“, so Schedel-Niedrig.

HZB / DE