Hochbegabungspresse
Speicherlösungen für die
unregelmäßig verfügbare Solarenergie werden dringend gesucht. Eine Lösung ist
es, die in Solarzellen erzeugte elektrische Energie zu nutzen, um durch
Elektrolyse Wasser aufzuspalten und so den Brennstoff Wasserstoff zu erzeugen.
Forscher am HZB-Institut für Solare Brennstoffe modifizieren so genannte
Superstrat-Solarzellen, die eine sehr effiziente Architektur besitzen, um mit
geeigneten Katalysatoren Wasserstoff aus Wasser zu produzieren. Diese Zelle
funktioniert wie ein „künstliches Blatt“. Doch im wässrigen Elektrolyten
korrodiert die Solarzelle rasch. Nun hat eine Doktorandin des Teams, Diana
Stellmach, als erste Wissenschaftlerin in Europa eine neue Lösung gefunden, um
die Korrosion zu verhindern: Sie bettet die Katalysatoren in einen leitfähigen
Kunststoff ein und bringt sie dann auf die beiden Kontakte der Solarzelle auf.
Damit versiegelt sie die empfindlichen Kontakte der Zelle gegen Korrosion und
ermöglicht eine stabile Ausbeute von etwa 3,7 Prozent des Sonnenlichts.
Wasserstoff speichert Energie auf
chemische Weise und ist vielseitig einsetzbar. Das Gas kann zu Brennstoffen wie
Methan weiterverarbeitet werden oder direkt in Brennstoffzellen Strom erzeugen.
Wasserstoff lässt sich durch die elektrolytische Aufspaltung von Wasser in
Wasserstoff und Sauerstoff herstellen; dafür sind zwei Elektroden nötig, die
mit geeigneten Katalysatoren beschichtet sind und zwischen denen eine Spannung
(mindestens 1,23 V) anliegt. Interessant wird die Erzeugung von Wasserstoff
aber erst, wenn dafür Solarenergie genutzt werden kann. Denn das würde zwei
Probleme auf einmal lösen: An sonnigen Tagen könnte überschüssiger Strom
Wasserstoff erzeugen, der dann nachts oder an trüben Tagen als Brennstoff oder
zur Stromerzeugung zur Verfügung stünde.
Neue Ansätze mit komplexen
Dünnschicht-Silizium-Solarzellen
Am Institut für Solare Brennstoffe
des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) arbeiten
Forscher an neuen Ansätzen, um dieses Ziel zu verfolgen: Dafür nutzen sie
photovoltaische Strukturen aus mehreren, extrem dünnen Silizium-Schichten, die
am Photovoltaik-Kompetenzzentrum-Berlin (PVcomB), einem anderen Institut des
HZB, maßgeschneidert gefertigt werden. Weil die Zelle aus einem einzigen – wenn
auch komplex aufgebauten – „Block“ besteht, spricht man von einem
monolithischen Ansatz. Die elektrischen Kontaktflächen der Zelle werden im
Institut für Solare Brennstoffe mit speziellen Katalysatoren für die
Wasserspaltung beschichtet. Wird diese Zelle in verdünnte Schwefelsäure
eingetaucht und mit sonnenähnlichem Licht bestrahlt, entsteht an den Kontakten
eine Spannung, die für die Aufspaltung von Wasser genutzt werden kann.
Elementar wichtig sind in diesem Prozess die Katalysatoren, die die Reaktionen
an den Kontakten beschleunigen.
Neue Lösung verhindert Korrosion
Der Vorteil der photovoltaischen
Zellen des PVcomB ist deren „Superstrat- Architektur“: Das Licht fällt durch
den transparenten Frontkontakt ein, der auf dem Trägerglas abgeschieden ist; es
gibt keine Verschattung durch aufgebrachte Katalysatoren. Die Katalysatoren
befinden sich nämlich auf der Rückseite der Solarzelle und sind im Kontakt mit
dem Wasser/Säuregemisch. Dieses ist sehr angriffslustig, das heißt korrosiv, so
dass Diana Stellmach im ersten Schritt den üblichen Zinnoxid-Silber-Rückkontakt
durch eine Beschichtung mit Titan von etwa 400 Nanometern Dicke ersetzen
musste. Im zweiten Schritt entwickelte sie eine Lösung, um mit dem Aufbringen
des Katalysators gleichzeitig die Zelle gegen Korrosion zu schützen: Sie
mischte RuO2-Nanoteilchen in ein leitfähiges Polymer (PEDOT:PSS) und trug diese
Mischung als Katalysator für die Sauerstoffbildung auf dem Rückseitenkontakt
der Zelle auf. Auf den Frontkontakt wurden in analoger Weise Platin
Nanoteilchen aufgebracht, an denen die Wasserstoffentwicklung abläuft.
Erstmals stabile Produktionsraten
Insgesamt erzielte die Konfiguration
einen Wirkungsgrad von 3,7 % und war über mindestens 18 Stunden stabil. „Damit
ist Frau Stellmach die erste Wissenschaftlerin in Europa, die eine solche
wasserspaltende Solarzellenstruktur realisiert hat“, erklärt Prof. Dr.
Sebastian Fiechter. Vielleicht sogar weltweit, denn anders aufgebaute
Photovoltaikmembranen erwiesen sich als weniger stabil. Allerdings müssen die
teuren Katalysatoren wie Platin und RuO2
langfristig noch durch preiswertere Stoffe ersetzt werden. Auch daran arbeitet
Diana Stellmach bereits; sie entwickelt nun Kohlenstoff-Nanoröhren, die mit
Molybdän-Sulfid-Schichten ummantelt sind und als Katalysatoren für die
Wasserstoffentwicklung dienen.
Bildunterschrift: Diese komplexe Solarzelle ist mit zwei unterschiedlichen
Katalysatoren beschichtet und funktioniert wie ein „künstliches Blatt“: sie
nutzt Sonnenlicht, um Wasser aufzuspalten und Wasserstoffgas zu erzeugen.
Bild: HZB
Hier können Sie die Zelle in Aktion
sehen: http://www.helmholtz-berlin.de/aktuell/pr/mediathek/video/energieversorgung/superstratzelle_de.html
Weitere Informationen:
Prof. Sebastian Fiechter
Tel.: +49 (0)30-8062-42927
Diana Stellmach
Tel.: +49 (0)30-8062-42323
Pressestelle
Dr. Antonia Rötger
Tel.: +49 (0)30-8062-43733