Hochbegabungspresse
Mit einer einfachen Solarzelle und
einer Photo-Anode aus Metalloxid konnten Forscher aus dem HZB
und der TU Delft
fast fünf Prozent der Solarenergie chemisch in Form von Wasserstoff speichern.
Dies ist ein Durchbruch, weil die verwendete Solarzelle deutlich einfacher
aufgebaut ist, als die sonst eingesetzten Hochleistungs-Zellen, die aus „triple
junctions“ von dünnen, amorphen Siliziumschichten oder teuren III-V-Halbleitern
bestehen. Die Photo-Anode aus dem Metalloxid Wismut-Vanadat (BiVO4) wurde – versetzt mit zusätzlichen Wolfram-Atomen –
einfach aufgesprüht und mit einem preisgünstigen Kobalt-Phosphat
Katalysator beschichtet. „Wir haben hier das Beste aus zwei Welten kombiniert“,
sagt Prof. Dr. Roel van de Krol, Leiter des HZB-Instituts für Solare
Brennstoffe: „Wir nutzen die chemische Stabilität und den niedrigen Preis von
Metalloxiden, bringen dies mit einer sehr guten, aber recht einfachen
Silizium-Dünnschicht-Solarzelle zusammen und erhalten so eine günstige, sehr
stabile und leistungsstarke Zelle.“
Damit haben die Experten ein
einfaches System entwickelt, das mit Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und
Sauerstoff aufspalten kann. Dieser Prozess ist unter dem Stichwort „Künstliche
Photosynthese“ bekannt und ermöglicht es, die Energie der Sonne in Form von
Wasserstoff chemisch zu speichern. Denn Wasserstoff kann entweder direkt oder
in Form von Methan als Brennstoff genutzt werden oder in Brennstoffzellen Strom
erzeugen. Eine Überschlagsrechnung zeigt, welches Potenzial diese Technologie
besitzt: Bei einer Sonnenleistung von rund 600 Watt pro Quadratmeter in
Deutschland könnten 100 Quadratmeter eines solchen Systems in einer einzigen
sonnigen Stunde schon 3 Kilowattstunden Energie in Form von Wasserstoff
abspeichern. Diese Energie würde dann nachts oder an bewölkten Tagen zur
Verfügung stehen.
Photo-Anode aus Metalloxid schützt
die Zelle vor Korrosion
Die Experten um van de Krol haben
nun eine verhältnismäßig einfache Silizium-Dünnschichtzelle mit einer Schicht
aus Metalloxid kombiniert. Nur diese Schicht kommt in Kontakt mit dem
Wasser und fungiert so als Photo-Anode für die Bildung von Sauerstoff. Gleichzeitig
schützt sie die empfindliche Siliziumzelle vor Korrosion. Sie
untersuchten systematisch in unterschiedlichen Metalloxiden, wie die Prozesse
vom Lichteinfall über die Ladungstrennung bis zur Wasserspaltung ablaufen, um
diese weiter zu optimieren. Mit einer Photo-Anode aus Wismut-Vanadat müssten
theoretisch sogar Wirkungsgrade bis zu neun Prozent für die elektrochemische
Zelle erreichbar sein, erklärt van de Krol. Ein Problem konnten sie schon
lösen: Mit Hilfe eines preiswerten Kobalt-Phosphat-Katalysators schafften sie
es, die Bildung von Sauerstoff an der Photo-Anode deutlich zu beschleunigen.
Neuer Rekord bei der
Ladungstrennung im Metalloxid erreicht
Die größte Herausforderung war es
jedoch, in der Wismut-Vanadat-Schicht die Ladungen effizient zu trennen.
Denn Metalloxide sind zwar stabil und billig, aber die Ladungsträger
neigen dazu, rasch wieder zusammenzufinden, also zu rekombinieren. Damit gehen
sie für die Wasserspaltung verloren. Van de Krol und seine Mitarbeiter fanden
nun heraus, dass hier der Einbau zusätzlicher Wolfram-Atome in der
Wismut-Vanadat-Schicht hilfreich ist. „Es kommt darauf an, diese Wolfram-Atome
optimal zu verteilen, dann erzeugen sie ein internes elektrisches Feld, das die
Rekombination verhindert“, erklärt van de Krol. Um dies zu erreichen, sprühten
sie eine Lösung von Wismut, Vanadium und Wolfram auf ein heißes Glassubstrat
auf, wobei das Lösungsmittel verdampft. Durch mehrfaches Wiederholen des
Sprühvorgangs mit jeweils unterschiedlichen Wolfram-Konzentrationen, entsteht
eine höchst-effiziente Photo-aktive Metalloxid-Schicht von etwa 300 Nanometern
Dicke. „Wir verstehen noch nicht sehr gut, warum gerade Wismut-Vanadat so
besonders gut funktioniert. Wir haben aber festgestellt, dass mehr als 80
Prozent der eingefangenen Photonen auch genutzt werden, das ist wirklich ein
Rekord für ein Metalloxid und war auch physikalisch unerwartet“, sagt van de
Krol. Eine der nächsten Herausforderungen wird sein, solche Systeme auf
Quadratmetergröße hoch zu skalieren, damit sie relevante Mengen an
Wasserstoff erzeugen können.
Die Arbeit ist heute in Nature Communications erschienen DOI 10.1038/ncomms3195.
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Roel van de Krol
Institut Solare Brennstoffe
Tel.: +49 (0)30-8062-43035
Pressestelle
Dr. Antonia Rötger
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