Erfolg bei Wasserspaltung

Neue solare Speichermöglichkeit könnte zu stärkerer Solarzellen-Nutzung führen – Aus “News & Events” der Missouri S&T

Forscher an der Missouri University of Science and Technology (Missouri S&T) haben eine relativ kostengünstige und einfache Möglichkeit entwickelt, um mithilfe eines neuen Elektroabscheidungsverfahrens Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Das Verfahren produziert mit hocheffizienten Solarzellen Solarenergie zur Verwendung als Kraftstoff.

Das vom US-Department of Energy geförderte Forschungprojekt, könnte zu einer beträchtlichen Erhöhung der zur Verfügung stehenden Wasserstoffmenge zur Treibstoffnutzung führen. Die Missouri S & T-Forscher beschreiben ihre Methode in einem am 14.09.2015 veröffentlichten  Papier auf der Website der Zeitschrift Nature Materials.

“Die Arbeit hilft, das Problem zu lösen, dass die Solarenergie wechselhaft ist”, sagt ASutor Jay A. Switzer, er ist Donald L. Castleman/Foundation for Chemical Research-Professor of Discovery an der Missouri S & T. “Natürlich können wir nicht die Sonne den ganzen Tag an einem Fleck Energie produzieren lassen, aber unser Prozess wandelt die Energie in eine Form um, die leichter zu speichern ist.”

[note Zelle aus Switzers Forschung in Betrieb bei Gasentwicklung. Foto © Sam O’Keefe, Missouri S&T]

Switzer und sein Team verwenden Silizium-Wafer zum Auffangen der Solarenergie. Das Silizium wird mit der Vorderfläche in Richtung eines Solarsimulators in Wasser getaucht, und die Rückseite mit Elektroden zur Energieleitung bedeckt. Das Silizium ist mit durch galvanotechnisch gebildeten Kobalt-Nanoinseln bedeckt.

Kleine Cluster von Kobalt-Katalysatoren

Im Gegensatz zu aktuellen Forschungsstandards, welche die Silizium-Oberfläche vollständig mit einer Katalysatorenschicht bedecken, verteilt Switzer kleine Cluster von Kobalt-Katalysatoren punktuell auf der Oberfläche des Siliziums. Dieses stellt sich als gleichermaßen schützend heraus und erzeugt viel höhere Spannungen.

Herstellung von Wasserstoff beim DLRDie von den Sonnenstrahlen erzeugte Spannung spaltet flüssiges Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Sauerstoff entsteht an der Kobalt-beschichteten Siliziumelektrode und Wasserstoff entwickelt sich an der Platingegenelektrode.

“Ursprünglich wollten wir eine gleichförmige Schicht aus Metall herstellen, die das Silizium sowohl katalysierte als auch schützte, haben dann aber festgestellt, daß dieses Verfahren bereits eine höhere Spannung produzierte und keinen der üblichen zusätzlichen Schritte brauchte,” sagt Switzer. “Diese Kobalt-Nanoinseln erzeugen eine viel effizientere Zelle.”

Neben Solaranlagen und Energiezellen sieht Switzer Nutzungsmöglichkeiten der Ergebnisse in großen Wasserstoffspeichern und sogar in einer vollständig klimaneutralen Fortbewegungslösung. “Wenn wir diesen Prozess in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen anwenden, würde der Wasserstoff als Treibstoff verwendet, und das einzige, was aus dem Auspuff des Autos tropfte, wäre  Wasser”, sagt Switzer. – Originaltext (engl.) von Peter Ehrhard

[note Englischer Abstract: An electrodeposited inhomogeneous metal–insulator–semiconductor junction for efficient photoelectrochemical water oxidation – (James C. Hill, Alan T. Landers & Jay A. Switzer/) Nature Materials doi:10.1038/nmat4408; Received Accepted Published online

The photoelectrochemical splitting of water into hydrogen and oxygen requires a semiconductor to absorb light and generate electron–hole pairs, and a catalyst to enhance the kinetics of electron transfer between the semiconductor and solution. A crucial question is how this catalyst affects the band bending in the semiconductor, and, therefore, the photovoltage of the cell. We introduce a simple and inexpensive electrodeposition method to produce an efficient n-Si/SiOx/Co/CoOOH photoanode for the photoelectrochemical oxidation of water to oxygen. The photoanode functions as a solid-state, metal–insulator–semiconductor photovoltaic cell with spatially non-uniform barrier heights in series with a low overpotential water-splitting electrochemical cell. The barrier height is a function of the Co coverage; it increases from 0.74?eV for a thick, continuous film to 0.91eV for a thin, inhomogeneous film that has not reached coalescence. The larger barrier height leads to a 360mV photovoltage enhancement relative to a solid-state Schottky barrier.]

->Quellen: