Künstliche Photosynthese mit Effieziensrekord

Wasserspaltung in einer Tandem-Solarzelle

Die neue Zelle wandelt circa 14 Prozent der einfallenden Solarenergie in Wasserstoff um.

Einem internationalen Team ist es mit Beteiligung des HZB gelungen, erstmals seit 17 Jahren den Wirkungsgrad für die direkte solare Wasserspaltung zu steigern. Die Forscher nutzten dafür eine Tandem-Solarzelle, deren Oberflächen sie gezielt modifiziert hatten.

Solarenergie ist zwar reichlich verfügbar, aber leider nicht stets und überall. Eine besonders interessante Speicherlösung ist die künstliche Photosynthese. Was jedes Blatt kann, nämlich Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln, das gelingt auch mit künstlichen Systemen auf Halbleiterbasis: Dabei spaltet die elektrische Leistung, die Sonnenlicht in einzelnen Halbleiterkomponenten erzeugt, Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff auf. Wasserstoff besitzt eine hohe Energiedichte, ist vielseitig verwendbar und´könnte fossile Brennstoffe umweltfreundlich ersetzen. Bisher scheitert die industrielle Herstellung von „Sonnen-Wasserstoff“ jedoch an den Kosten, weil der Wirkungsgrad der künstlichen Photosynthese zu gering ist. Die wichtigsten Wissenschaftsstandorte der Welt forschten daher seit vielen Jahren daran, die bestehende Bestmarke für künstliche Photosynthese von 12,4 Prozent, die seit 17 Jahren vom National Renewable Energy Laboratory in den USA gehalten wird, zu knacken. Dem Team aus der Technischen Universität Ilmenau, dem HZB, dem California Institute of Technology sowie dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg ist nun gelungen, diesen Rekordwert deutlich zu übertreffen. Matthias May, der für die TU Ilmenau und das HZB-Institut für Solare Brennstoffe arbeitet, hat in seiner ausgezeichneten Promotionsarbeit dafür knapp hundert Proben bearbeitet und vermessen. Die Grundbausteine sind Tandemsolarzellen aus sogenannten III-V-Halbleitern. Mit einem jetzt patentierten photoelektrochemischen Verfahren gelang es May, bestimmte Oberflächen dieser Halbleitersysteme so zu modifizieren, dass sie ihre Funktion bei der Wasserspaltung besser erfüllen.

Stabilität enorm verbessert

„Wir haben insbesondere die Aluminium-Indium-Phosphid-Schichtenin situ elektronisch wie chemisch passiviert und damit effizient an die Katalysatorschicht für die Wasserstofferzeugung angekoppelt. Dabei konnten wir die Oberflächenzusammensetzung auf der Subnanometerskala kontrollieren“, erklärt May. Auch bei der Langzeitstabilität gelangen riesige Fortschritte: Anfänglich hielten die Proben nur wenige Sekunden durch, bevor ihre Leistung einbrach, nach etwa einem Jahr Optimierung bleiben sie mehr als 40 Stunden lang stabil. Weitere Schritte in Richtung Langzeitstabilität sind in Vorbereitung – 1.000 Stunden sind das nächste Ziel. „Prognosen zeigen, dass die Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht mit Hocheffizienz-Halbleitern ab einer Effizienz von 15 Prozent wirtschaftlich konkurrenzfähig zu fossilen Energieträgern werden könnte. Das entspricht einem Preis von etwa vier US-Dollar pro Kilogramm Wasserstoff“, sagt Prof. Thomas Hannappel, Fachgebiet Photovoltaik an der TU Ilmenau, der die Arbeit mit betreut hat. Und Prof. Hans-Joachim Lewerenz vom Joint Center for Artificial Photosynthesis aus dem California Institute of Technology sagt: „Da sind wir nun schon nah dran. Wenn es uns gelingt, die Ladungsträger-Verluste an den Grenzflächen noch etwas stärker zu reduzieren, könnten wir mit diesem Halbleitersystem sogar mehr als 17 Prozent der einfallenden Solarenergie chemisch in Form von Wasserstoff speichern.“


Nature Communications, 6:8286, (DOI: 10.1038/ncomms9286): Efficient direct solar-to-hydrogen conversion by in situ interface transformation of a tandem structure; M. M. May et. al