Solar-Wasserstoff vor Durchbruch

“Das Beste aus zwei Welten”: Lediglich Wirkungsgrad muss noch steigen

Mit einer einfachen Solarzelle und einer Photo-Anode aus Metalloxid konnten Forscher aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der TU Delft fast fünf Prozent der Solarenergie chemisch in Form von Wasserstoff speichern. Dies nennen die Forscher einen 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.

Wismut-Vanadat mit Wolfram-Atomen und Kobalt-Phosphat

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.“ Die Arbeit ist am 29.07.20123 in Nature Communications erschienen.

Fällt Licht auf das System, entsteht eine elektrische Spannung. Die Metalloxid-Schicht fungiert als Photo-Anode, dort bildet sich Sauerstoff. Sie ist durch eine leitfähige Brücke aus Graphit (schwarz) mit der Solarzelle verbunden. Da nur die Metalloxid-Schicht mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt, bleibt die restliche Solarzelle vor Korrosion geschützt. Eine Platin-Spirale dient als Kathode, hier bildet sich Wasserstoff. Grafik © TU Delft

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.
Folgt: Photo-Anode aus Metalloxid schützt die Zelle vor Korrosion