{"id":54491,"date":"2018-07-09T07:52:53","date_gmt":"2018-07-09T05:52:53","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=54491"},"modified":"2021-09-09T21:34:07","modified_gmt":"2021-09-09T19:34:07","slug":"neuer-weltrekord-bei-der-direkten-solaren-wasserspaltung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/neuer-weltrekord-bei-der-direkten-solaren-wasserspaltung\/","title":{"rendered":"Neuer Weltrekord bei der direkten solaren Wasserspaltung"},"content":{"rendered":"

In einem nachhaltigen Energiesystem wird Wasserstoff als Speichermedium eine wichtige Rolle spielen. Einem internationalen Forscher-Team ist es jetzt gelungen, den Wirkungsgrad f\u00fcr die direkte solare Wasserspaltung zur Wasserstoffgewinnung auf 19 Prozent zu steigern. Sie kombinierten daf\u00fcr eine Tandem-Solarzelle aus III-V-Halbleitern mit Rhodium-Nanopartikeln und kristallinem Titandioxid. An der Forschungsarbeit waren Teams aus dem California Institute of Technology, der University of Cambridge, der TU Ilmenau und dem Fraunhofer Institut f\u00fcr Solare Energiesysteme ISE beteiligt. Ein Teil der Experimente fand am Institut f\u00fcr Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin statt.<\/strong><\/p>\n

\"Aufbau
Aufbau der Photokathode: Licht f\u00e4llt durch die transparente Schutzschicht mit katalytisch aktiven Rhodium-Partikeln in die Tandemzelle. Bild: ACS Energy Letters<\/figcaption><\/figure>\n

Sonnenlicht steht weltweit reichlich zur Verf\u00fcgung \u2013 allerdings nicht rund um die Uhr. Ein L\u00f6sungsansatz besteht darin, Sonnenlicht in Form von chemischer Energie zu speichern, konkret: mit Sonnenlicht Wasserstoff zu produzieren. Denn Wasserstoff l\u00e4sst sich gut speichern und vielseitig nutzen, ob in einer Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom und W\u00e4rme oder als Ausgangsbasis f\u00fcr Brennstoffe. Kombiniert man Solarzellen mit Katalysatoren und weiteren funktionalen Schichten zu einer \u201emonolithischen Photoelektrode\u201c aus einem Block, wird die Aufspaltung von Wasser besonders einfach: dabei befindet sich die Photokathode im w\u00e4ssrigen Medium und wenn Licht auf sie f\u00e4llt, bildet sich auf der Vorderseite Wasserstoff, auf der R\u00fcckseite Sauerstoff.<\/p>\n

Lichtdurchl\u00e4ssiger Korrosionsschutz<\/h3>\n

F\u00fcr die hier untersuchte monolithische Photokathode haben die Forscher eine am Fraunhofer ISE entwickelte hocheffiziente Tandem-Zelle aus III-V-Halbleitern mit weiteren funktionalen Schichten kombiniert. Dabei gelang es ihnen, die Verluste durch Lichtreflexion und Absorption an der Oberfl\u00e4che deutlich zu verringern. \u201eDarin besteht auch die Innovation\u201c, erl\u00e4utert Prof. Hans-Joachim Lewerenz, Caltech, USA: \u201eDenn bereits 2015 konnten wir in einer fr\u00fcheren Zelle einen Wirkungsgrad von \u00fcber 14 Prozent erreichen, damals ein Weltrekord. Hier haben wir die Antikorrosionsschicht durch eine kristalline Titandioxid-Schicht ersetzt, die nicht nur hervorragende Antireflexionseigenschaften besitzt, sondern an der auch die Katalysator-Teilchen haften bleiben\u201c. Und Prof. Harry Atwater,\u00a0 Caltech, f\u00fcgt an: \u201eAu\u00dferdem haben wir ein neues elektrochemisches Verfahren genutzt, um die Rhodium-Nanoteilchen herzustellen, die als Katalysatoren f\u00fcr die Wasserspaltung dienen. Sie messen nur 10 Nanometer im Durchmesser und sind damit optisch nahezu transparent, also ideal geeignet f\u00fcr ihre Aufgabe.\u201c<\/p>\n

Wirkungsgrad 19,3 Prozent<\/h3>\n

Unter simulierter Sonneneinstrahlung erzielten die Wissenschaftler einen Wirkungsgrad von 19,3 Prozent (in verd\u00fcnnterw\u00e4ssriger Perchlors\u00e4ure), in (neutralem) Wasser immerhin noch 18,5 Prozent. Dies reicht schon nah an den theoretisch maximalen Wirkungsgrad von 23 Prozent heran, der sich mit dieser Kombination von Schichten aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften erreichen l\u00e4sst.<\/p>\n

Verbesserungen bei der Stabilit\u00e4t<\/h3>\n

\u201eDie kristalline Titandioxid-Schicht sch\u00fctzt die eigentliche Solarzelle nicht nur vor Korrosion, sondern verbessert durch ihre g\u00fcnstigen elektronischen Eigenschaften auch den Ladungstransport\u201c, sagt Dr. Matthias May, der einen Teil der Experimente zur Effizienzbestimmung am HZB-Institut f\u00fcr Solare Brennstoffe durchgef\u00fchrt hat, im Vorl\u00e4uferlabor der Solar Fuel Testing Facility der Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF). Der nun publizierte Rekordwert basiert auf Arbeiten, die May bereits als Doktorand am HZB begonnen hatte und f\u00fcr die er 2016 den Helmholtz-Doktoranden-Preis im Forschungsbereich Energie erhielt. \u201eDie Stabilit\u00e4t konnten wir auf knapp 100 Stunden steigern; das ist ein gro\u00dfer Fortschritt im Vergleich zu Vorg\u00e4ngersystemen, die bereits nach 40 Stunden korrodiert waren. Dennoch bleibt hier noch viel zu tun\u201c, erkl\u00e4rt May.<\/p>\n

Ausblick: Tandemzellen mit Silizium<\/h3>\n

Denn noch ist dies Grundlagenforschung an kleinen, hochpreisigen Systemen im Labor. Aber die Forscher sind optimistisch: \u201eDiese Arbeit zeigt, dass ma\u00dfgeschneiderte Tandem-Zellen f\u00fcr die direkte solare Wasserspaltung das Potential haben, Wirkungsgrade jenseits von 20 Prozent zu erreichen. Ein Ansatz daf\u00fcr ist die noch bessere Wahl der Bandl\u00fcckenenergien der beiden Absorbermaterialien in der Tandem-Zelle. Und eines der beiden k\u00f6nnte dabei sogar Silizium sein\u201c, erkl\u00e4rt Prof. Thomas Hannappel, TU Ilmenau. Teams am Fraunhofer ISE und der TU Ilmenau arbeiten daran, Zellen zu entwerfen, in denen III-V-Halbleiter mit dem preisg\u00fcnstigem Silizium kombiniert werden, was die Kosten erheblich senken k\u00f6nnte.<\/p>\n

Zur Publikation in ACS Energy Letters: “Monolithic Photoelectrochemical Device for Direct Water Splitting with 19% Efficiency\u201d Wen-Hui Cheng, Matthias H. Richter, Matthias M. May, Jens Ohlmann , David Lackner , Frank Dimroth, Thomas Hannappel , Harry A. Atwater , Hans-Joachim Lewerenz<\/p>\n

Doi:10.1021\/acsenergylett.8b00920<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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