Licht zum Tanken

Neue Elektroden sollen Wasserstoff-Gewinnung effizienter machen

Am Institut „Solare Brennstoffe“ des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Prof. Dr. Roel van de Krol neue Materialsysteme, die die Energie des Sonnenlichts möglichst effizient in Wasserstoff umwandeln sollen. Denn Wasserstoff ist ein chemischer Speicher für Solarenergie und sehr vielseitig einsetzbar: Er kann in einer Brennstoffzelle Strom erzeugen oder zu Methan, Methanol, Benzin oder Diesel weiterverarbeitet werden.

Über einen elektrolytischen Prozess lässt sich Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) zerlegen. Damit dies mit Sonnenlicht gelingt, muss Licht zunächst – wie in einer Solarzelle – eine Spannung in der Elektrode erzeugen. Der Kern der Elektrode besteht aus einer Vielzahl unterschiedlich dotierter Halbleiterschichten, die mehrere „Junctions“ (Verbindungsstellen) bilden. Inzwischen haben die Forscher gezeigt, dass eine dieser Junctions durch eine Metalloxid-Schicht ersetzt werden kann. Dies wäre ein Weg, um die Herstellung dieser vielschichtigen Systeme zu vereinfachen, ihre Stabilität gegen Korrosion zu erhöhen und gleichzeitig die Effizienz zu verbessern: Während die Halbleiter-Junctions vor allem das langwellige rote Licht zur Ladungstrennung nutzen, wandelt die Metalloxid-Schicht die blauen Anteile des Lichts in Spannung um.

Möglichst dünn und möglichst dick

Van de Krol und sein Team experimentieren nun schon mit Nanostrukturen aus Metalloxid. Denn die Metalloxidbeschichtung muss zwei eigentlich gegensätzliche Anforderungen erfüllen: Einerseits sollte sie ausreichend dick sein, um genügend Licht zu absorbieren, andererseits aber muss sie möglichst dünn sein, damit die Ladungsträger gut abfließen können. Nanostrukturen bieten interessante Lösungen für dieses Dilemma: Ein dünner „Teppich“ aus Nanostäbchen würde einerseits kurze Wege für die Ladungsträger bieten und andererseits ausreichende Strecken für die Lichtabsorption. Oder die „Hohle Tassen“-Struktur aus Eisenoxid: Die offenen Halbkugeln könnten das Licht nahezu vollständig einfangen. „Wir brauchen Speicher für Solarenergie in der Größenordnung von Terawattstunden, und chemische Speicher wie Wasserstoff können ein Teil der Lösung sein“, ist van de Krol überzeugt.
->Quelle: www.helmholtz.de; Foto: ©HZB