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Licht zu Wasserstoff : Die Energiewende beginnt im Wasserglas

Saubere Elektrolyse mit Solarstrom: An der Photokathode (rechte Elektrode) entsteht Wasserstoff, an der Andode linke Elektrode) entsteht Sauerstoff. Bild: EPFL

Weltrekord bei der solaren Wasserstoffgewinnung: So effizient konnte Sonnenlicht noch nie direkt in den sauberen Brennstoff und Energiespeicher umgewandelt werden.

          Wasserstoff gilt für eine umwelt- und ressourcenschonende Energieversorgung als ein wichtiger Energieträger und Brennstoff. Denn damit betriebene Brennstoffzellen, die Häuser mit Wärme und Strom versorgen oder Elektroautos antreiben, produzieren keinerlei Abgase, außer Wasser. Bislang gewinnt man Wasserstoff vor allem aus Erdgas oder aus Wasser, das man durch Elektrolyse in seine Bestandteile spaltet. Die kommerziellen Geräte sind aber noch nicht dafür geeignet, ausschließlich mit fluktuierender Windkraft oder Sonnenenergie betrieben zu werden. Deshalb nutzt man zur Elektrolyse meist Strom, den man aus fossilen Energieträgern erzeugt.  

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Ein vielversprechender Ansatz für die umweltschonende  Wasserstoffproduktion ist der Weg über die direkte Spaltung von Wasser mit Sonnenlicht. Doch die bisherigen photokatalytischen Systeme sind noch zu ineffizient, so dass sich die solare Wasserspaltung bislang nicht rechnet. Das könnte sich bald ändern. Eine deutsch-amerikanische Forschergruppe hat den Wirkungsgrad auf 19 Prozent steigern können und sich so dem theoretisch möglichen Maximalwert (23 Prozent) stark angenähert

          Höhere Ausbeute dank Titandioxid und Rhodiumpartikeln

          Um Wasserstoff allein über Solarenergie zu erzeugen, nutzen die Forscher um Mattias May vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und Hans-Joachim Lewerenz vom Caltech in Pasadena sowie Thomas Hannappel von der TU Ilmenau eine hocheffiziente Tandem-Solarzelle aus zwei verschiedenen Verbindungshalbleitern. Das Bauteil, das am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg entwickelt wurde und einen photovoltaischen Wirkungsgrad von 30 Prozent hat, erzeugt aus einfallendem Sonnenlicht die elektrische Energie, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Die Solarzelle befindet sich dazu in einer mit Wasser gefüllten elektrochemischen Zelle. Im Betrieb steigt an der Kathode Wasserstoffgas auf, an der Anode entsteht Sauerstoff.

          Aufbau der Photokathode: Licht fällt durch die transparente Schutzschicht mit katalytisch aktiven Rhodium-Partikeln in die Tandem-Solarzelle aus Gallium-Indium-Phosphid und Gallium-Indium-Arsenid sowie weiteren funktionalen Schichten.

          Auf diese Weise haben May und seine Kollegen vor drei Jahren bereits 14 Prozent des einfallenden Lichts in Wasserstoff umwandeln können. Allerdings waren die Energieverluste, verursacht durch unerwünschte Lichtreflexionen und -absorptionen an der Oberfläche der damals benutzten Solarzelle, noch zu groß. Zudem verringerten Korrosionseffekte, ausgelöst durch den Kontakt mit dem Wasserbad, die Lebensdauer des elektrochemischen Bauteils.

          Stellschrauben fürs Feintuning

          Die Forscher haben die Schwachpunkte nun beheben können. Wie sie in den „Energy Letters“ berichten, beschichteten sie die Solarzelle aus Freiburg auf der Kathodenseite mit kristallinem Titandioxid und hefteten daran den Katalysator an: nanometergroße Partikeln aus Rhodium. Die Titandioxid-Schicht erwies sich wie die Rhodiumteilchen als äußerst transparent. Zudem sorgte sie für einen optimalen Transport der in der Solarzelle erzeugten elektrischen Ladungsträger in Richtung Kathode. In einer sauren wässrigen Lösung erzielten die Forscher mit ihrem Prototyp einen Rekord-Wirkungsgrad von 19,3 Prozent, in neutralem Wasser waren es immerhin noch 18,5 Prozent.  Ein Wert von 23 Prozent  gilt als Maximum für diese Art photokatalytischer Zelle. Durch technische Verbesserungen hoffen sie  den erzielten Wirkungsgrad auf über 20 Prozent steigern zu können.

          Ein  Schwachpunkt ist noch die Lebensdauer des Systems. Sie  beträgt derzeit rund hundert Stunden. Danach nimmt der Wirkungsgrad ab. Für praktische Anwendungen sind jedoch Betriebszeiten von mehreren tausend Stunden ohne Leistungsverluste erforderlich.  Durch weitere Optimierungen wollen die Forscher ihren photoelektrochemischen Apparat robuster machen und so die Lebensdauer erhöhen. 

          Auch will man die Materialkosten des Prototypen senken. Denn aufgrund der besonderen Halbleiter ist die Tandem-Solarzelle noch zu teuer, um großtechnisch genutzt werden zu können. Die Wissenschaftler der TU Ilmenau arbeiten mit Forschern des Fraunhofer-Instituts an  photovoltaischen Bauteilen, in denen die Verbindungshalbleiter mit günstigerem Silizium kombiniert werden. Schreitet die Entwicklung weiter so rasant  voran, dann könnten, so schätzen die Wissenschaftler, in fünf bis zehn Jahren Anlagen auf den Markt kommen, die Sonnenlicht in Wasserstoff umwandeln. 

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