Nach 17 Jahren haben Forscher die Bestmarke für solaren Wasserstoff durch eine künstliche Photosynthese verbessert. Er liegt nun bei 14 Prozent, das entspricht einer Steigerung von 1,6 Prozentpunkten. Ein ökonomisch sinnvoller Ersatz für fossile Energieträger rückt somit in Reichweite.
Einem internationalen Team ist es gelungen, den Wirkungsgrad für die solare Wasserspaltung zu steigern. Die Wissenschaftler nutzen dafür eine sogenannte Tandem-Solarzelle, deren Oberflächen sie gezielt modifizierten. Der neue Bestwert liegt bei 14 Prozent und damit deutlich über dem bisherigen Rekordwert von 12,4 Prozent. Der bis dato geltende Rekordwert bestand seit 17 Jahren, gehalten vom National Renewable Energy Laboratory in den USA.
Vier US-Dollar pro Kilo
„Prognosen zeigen, dass die Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht mit Hocheffizienz-Halbleitern ab einer Effizienz von 15 Prozent wirtschaftlich konkurrenzfähig zu fossilen Energieträgern werden“, sagt Professor Thomas Hannappel, Fachgebiet Photovoltaik an der TU Ilmenau. Das entspricht einem Preis pro Kilogramm Wasserstoff von rund vier US-Dollar. An der Kooperation sind neben der TU Ilmenau, das Institut für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin, das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg und das California Institute of Technology beteiligt.
Eine interessante Speicherlösung für Solarenergie ist die künstliche Photosynthese. Wie ein Blatt am Baum wird das Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln. Das gelingt den Forschern auch mit künstlichen Systemen auf Halbleiterbasis. Der Sonnenstrom aus Halbleiterkomponenten teilt Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff auf.
Wasserstoff wiederum besitzt eine hohe Energiedichte, ist vielseitig verwendbar ist und fossile Brennstoffe in vielen Anwendungen ersetzen kann. Denn bei der Verbrennung von Wasserstoff wird kein klimaschädliches Kohlendioxid frei, sondern es entsteht nur Wasser. Bisher scheitert die Herstellung von „Sonnen-Wasserstoff“ auf industrieller Ebene noch an den hohen Kosten. Denn der Wirkungsgrad der künstlichen Photosynthese ist noch zu gering.
40 Stunden stabil
Forscher Matthias May nahm dafür hundert Proben. Die Grundbausteine sind Tandemsolarzellen aus so genannten 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. „Wir haben insbesondere die Aluminium-Indium-Phosphid-Schichten elektronisch wie chemisch passiviert“, berichtet May.
So wurde die Katalysatorschicht effizient für die Wasserstofferzeugung angekoppelt. „Dabei konnten wir die Oberflächenzusammensetzung auf der Subnanometerskala kontrollieren“, erklärt May. Auch bei der Langzeitstabilität gelangen Fortschritte: Anfänglich hielten die Proben nur wenige Sekunden durch, bevor ihre Leistung einbrach, nach rund einem Jahr Optimierung, bleiben sie über 40 Stunden lang stabil. (Niels H. Petersen)
