{"id":13472,"date":"2013-07-29T00:00:00","date_gmt":"2013-07-28T22:00:00","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bio-based.eu\/news\/index.php?startid=20130729-04n"},"modified":"2013-07-29T00:00:00","modified_gmt":"2013-07-28T22:00:00","slug":"das-beste-aus-zwei-welten-durchbruch-bei-solarer-wasserstoffproduktion","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/das-beste-aus-zwei-welten-durchbruch-bei-solarer-wasserstoffproduktion\/","title":{"rendered":"Das Beste aus zwei Welten: Durchbruch bei Solarer Wasserstoffproduktion"},"content":{"rendered":"

Mit einer einfachen Solarzelle und einer Photo-Anode aus Metalloxid konnten Forscher aus dem HZB und der TU Delft fast f\u00fcnf Prozent der Solarenergie chemisch in Form von Wasserstoff speichern. Dies ist ein Durchbruch, weil die verwendete Solarzelle deutlich einfacher aufgebaut ist, als die sonst eingesetzten Hochleistungs-Zellen, die aus “triple junctions” von d\u00fcnnen, amorphen Siliziumschichten oder teuren III-V-Halbleitern bestehen. Die Photo-Anode aus dem Metalloxid Wismut-Vanadat (BiVO4) wurde \u2013 versetzt mit zus\u00e4tzlichen Wolfram-Atomen \u2013 einfach aufgespr\u00fcht und mit einem preisg\u00fcnstigen Kobalt-Phosphat Katalysator beschichtet. “Wir haben hier das Beste aus zwei Welten kombiniert”, sagt Prof. Dr. Roel van de Krol, Leiter des HZB-Instituts f\u00fcr Solare Brennstoffe: “Wir nutzen die chemische Stabilit\u00e4t und den niedrigen Preis von Metalloxiden, bringen dies mit einer sehr guten, aber recht einfachen Silizium-D\u00fcnnschicht-Solarzelle zusammen und erhalten so eine g\u00fcnstige, sehr stabile und leistungsstarke Zelle.”<\/b><\/p>\n

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\"F\u00e4lltDie Metalloxid-Schicht fungiert als Photo-Anode, dort bildet
sich Sauerstoff. Sie ist durch eine leitf\u00e4hige Br\u00fccke aus Graphit
(schwarz) mit der Solarzelle verbunden. Da nur die Metalloxid-
Schicht mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt, bleibt die
restliche Solarzelle vor Korrosion gesch\u00fctzt. Eine Platin-Spirale
dient als Kathode, hier bildet sich Wasserstoff.
Foto: TU Delft”><\/td>\n<\/tr>\n
F\u00e4llt Licht auf das System, entsteht eine elektrische Spannung.
Die Metalloxid-Schicht fungiert als Photo-Anode, dort bildet
sich Sauerstoff. Sie ist durch eine leitf\u00e4hige Br\u00fccke aus Graphit
(schwarz) mit der Solarzelle verbunden. Da nur die Metalloxid-
Schicht mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt, bleibt die
restliche Solarzelle vor Korrosion gesch\u00fctzt. Eine Platin-Spirale
dient als Kathode, hier bildet sich Wasserstoff.
Foto: TU Delft<\/td>\n<\/tr>\n<\/table>\n<\/div>\n

Damit haben die Experten ein einfaches System entwickelt, das mit Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten kann. Dieser Prozess ist unter dem Stichwort “K\u00fcnstliche Photosynthese” bekannt und erm\u00f6glicht 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 \u00dcberschlagsrechnung zeigt, welches Potenzial diese Technologie besitzt: Bei einer Sonnenleistung von rund 600 Watt pro Quadratmeter in Deutschland k\u00f6nnten 100 Quadratmeter eines solchen Systems in einer einzigen sonnigen Stunde schon 3 Kilowattstunden Energie in Form von Wasserstoff abspeichern. Diese Energie w\u00fcrde dann nachts oder an bew\u00f6lkten Tagen zur Verf\u00fcgung stehen.<\/p>\n

Photo-Anode aus Metalloxid sch\u00fctzt die Zelle vor Korrosion<\/b>
Die Experten um van de Krol haben nun eine verh\u00e4ltnism\u00e4\u00dfig einfache Silizium-D\u00fcnnschichtzelle mit einer Schicht aus Metalloxid kombiniert. Nur diese Schicht kommt in Kontakt mit dem Wasser und fungiert so als Photo-Anode f\u00fcr die Bildung von Sauerstoff. Gleichzeitig sch\u00fctzt sie die empfindliche Siliziumzelle vor Korrosion. Sie untersuchten systematisch in unterschiedlichen Metalloxiden, wie die Prozesse vom Lichteinfall \u00fcber die Ladungstrennung bis zur Wasserspaltung ablaufen, um diese weiter zu optimieren. Mit einer Photo-Anode aus Wismut-Vanadat m\u00fcssten theoretisch sogar Wirkungsgrade bis zu neun Prozent f\u00fcr die elektrochemische Zelle erreichbar sein, erkl\u00e4rt van de Krol. Ein Problem konnten sie schon l\u00f6sen: Mit Hilfe eines preiswerten Kobalt-Phosphat-Katalysators schafften sie es, die Bildung von Sauerstoff an der Photo-Anode deutlich zu beschleunigen. <\/p>\n

Neuer Rekord bei der Ladungstrennung im Metalloxid erreicht<\/b>
Die gr\u00f6\u00dfte Herausforderung war es jedoch, in der Wismut-Vanadat-Schicht die Ladungen effizient zu trennen. Denn Metalloxide sind zwar stabil und billig, aber die Ladungstr\u00e4ger neigen dazu, rasch wieder zusammenzufinden, also zu rekombinieren. Damit gehen sie f\u00fcr die Wasserspaltung verloren. Van de Krol und seine Mitarbeiter fanden nun heraus, dass hier der Einbau zus\u00e4tzlicher Wolfram-Atome in der Wismut-Vanadat-Schicht hilfreich ist. “Es kommt darauf an, diese Wolfram-Atome optimal zu verteilen, dann erzeugen sie ein internes elektrisches Feld, das die Rekombination verhindert”, erkl\u00e4rt van de Krol. Um dies zu erreichen, spr\u00fchten sie eine L\u00f6sung von Wismut, Vanadium und Wolfram auf ein hei\u00dfes Glassubstrat auf, wobei das L\u00f6sungsmittel verdampft. Durch mehrfaches Wiederholen des Spr\u00fchvorgangs mit jeweils unterschiedlichen Wolfram-Konzentrationen, entsteht eine h\u00f6chst-effiziente Photo-aktive Metalloxid-Schicht von etwa 300 Nanometern Dicke. “Wir verstehen noch nicht sehr gut, warum gerade Wismut-Vanadat so besonders gut funktioniert. Wir haben aber festgestellt, dass mehr als 80 Prozent der eingefangenen Photonen auch genutzt werden, das ist wirklich ein Rekord f\u00fcr ein Metalloxid und war auch physikalisch unerwartet”, sagt van de Krol. Eine der n\u00e4chsten Herausforderungen wird sein, solche Systeme auf Quadratmetergr\u00f6\u00dfe hoch zu skalieren, damit sie relevante Mengen an Wasserstoff erzeugen k\u00f6nnen.<\/p>\n

Die Arbeit ist heute in Nature Communications erschienen DOI: 10.1038\/ncomms3195.<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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