„Tandem“ soll solare Wasserspaltung vorantreiben

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Offenbar Fortschritt bei künstlicher Photosynthese

Um eine umweltfreundliche, klimaresiliente Wasserstoffwirtschaft zu verwirklichen, müssen wir in der Lage sein, Wasserstoff in großen Mengen nachhaltig zu produzieren. Eine Möglichkeit dazu ist die Wasserspaltung durch „künstliche Photosynthese“, ein Verfahren, bei dem Materialien, so genannte „Photokatalysatoren“, die Sonnenenergie nutzen, um aus Wasser Sauerstoff und Wasserstoff zu erzeugen. Die wichtigsten Merkmale der Wasserspaltung sind ihre Haltbarkeit und Effizienz. Ein „Tandem“ aus TiO2 und 3C-SiC, langlebige Photokatalysatoren mit einer Langzeithaltbarkeit von 100 Tagen ist deutlich länger ist als bei den meisten Photoelektroden und Photokatalysatoren – so Professor Masashi Kato vom Nagoya Institute of Technology.

Die Natur kann sich Effizienzmängel leisten: Blatt des Elefantenohrs – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Noch sind die aktuell verfügbaren Photokatalysatoren noch nicht so weit, dass solar betriebene Wasserspaltung wirtschaftlich machbar und skalierbar wäre. Um das zu erreichen, müssen zwei Hauptprobleme gelöst werden: der geringe Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff und die unzureichende Haltbarkeit der photoelektrochemischen Wasserspaltungszellen.

Am Nagoya Institute of Technology, Japan, haben Professor Masashi Kato und seine Kollegen hart daran gearbeitet, Photokatalysatoren auf die nächste Stufe zu heben, indem sie neue Materialien und deren Kombinationen erforscht und Einblicke in die physikalisch-chemischen Mechanismen gewonnen haben, die ihren Leistungen zugrunde liegen. In ihrer jüngsten in  Solar Energy Materials and Solar Cells veröffentlichten Arbeit berichten Kato und sein Team, wie sie Titanoxid (TiO2) und kubisches SiC vom p-Typ (3C-SiC), zwei vielversprechende Photokatalysator-Materialien, zu einer Tandemstruktur zu kombinieren konnten, was eine äußerst langlebige und effiziente Wasserspaltungszelle ergibt.

Bei der vom Team in seiner Studie untersuchten Tandemstruktur sind beide Photokatalysatormaterialien in Reihe geschaltet, wobei ein halbtransparentes TiO2 als Photoanode und 3C-SiC als Photokathode dient. Da jedes Material die Sonnenenergie in unterschiedlichen Frequenzbändern absorbiert, kann die Tandemstruktur die Umwandlungseffizienz der Wasserspaltzelle deutlich erhöhen, da ein größerer Teil des einfallenden Lichts Ladungsträger anregen und die erforderlichen Ströme erzeugen kann.

Das Team hat die Auswirkungen der angelegten externen Spannung und des pH-Werts auf die in der Zelle erzeugten Photoströme gemessen und anschließend Experimente zur Wasserspaltung bei unterschiedlichen Lichtintensitäten durchgeführt. Sie maßen auch die erzeugten Mengen an Sauerstoff und Wasserstoff. Die Ergebnisse waren laut Kato sehr ermutigend: „Der maximale gemessene Wirkungsgrad von Photonen zu Strom bei angelegter Vorspannung betrug 0,74 %. Mit diesem Wert und der beobachteten Lebensdauer von etwa 100 Tagen gehört unser Wasserspaltungssystem zu den besten derzeit verfügbaren Systemen. Darüber hinaus gaben die Ergebnisse dieser Studie Hinweise auf einige der möglichen Mechanismen, die hinter der beobachteten Leistung der vorgeschlagenen Tandemstruktur stehen.

Weitere Forschungen sind erforderlich, um die photoelektrochemischen Wasserspaltungssysteme weiter zu verbessern, bis sie auf breiter Basis eingesetzt werden können. Dennoch ist diese Studie eindeutig ein Schritt in Richtung einer sauberen Zukunft. „Unsere Beiträge sollen die Entwicklung künstlicher Photosynthese-Technologien beschleunigen, die Energieressourcen direkt aus Sonnenlicht erzeugen. So können unsere Erkenntnisse bei der Verwirklichung nachhaltiger Gesellschaften helfen“, sagt Kato über seine Vision.

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