Wasserstoff ist ein wichtiger Faktor in einem nachhaltigen Energiesystem. Das Gas speichert Energie in chemischer Form und kann auf vielfältige Weise genutzt werden. Als Kraftstoff, als Ausgangsstoff für andere Brennstoffe und Chemikalien oder auch zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen. Wasserstoff lässt sich klimaneutral durch die photoelektrochemische Wasserspaltung mit Sonnenlicht erzeugen. Die nötige Photospannung und Photostrom liefern geeignete Photoelektroden unter Lichteinfall, die im Wasser stabil bleiben. Einige Metalloxidverbindungen erfüllen diese Vorraussetzungen. So erreichen solare Wasserspalter mit Wismut-Vanadat (BiVO4)-Photoelektroden bereits heute Wirkungsgrade (Solar-to-Hydrogen) von etwa 8 %, was nahe am theoretischen Maximum des Materials liegt (9 %). Um Wirkungsgrade jenseits der 9 % zu erreichen, werden neue Materialien mit einer kleineren Bandlücke benötigt.

Theoretisch bis 20 % Wirkungsgrad möglich

Das Metalloxid α-SnWO₄ hat eine Bandlücke von 1,9 eV, die sich perfekt für die photoelektrochemische Wasserspaltung eignet. Theoretisch könnte eine Photoanode aus diesem Material um die 20 % des eingestrahlten Sonnenlichts in chemische Energie, gespeichert in Form von Wasserstoff, umwandeln. Leider zersetzt sich die Verbindung in wässriger Umgebung sehr schnell.

Dünne Schichten aus Nickeloxid (NiOx) können die α-SnWO₄-Photoanode vor Korrosion schützen. Dabei wurde jedoch auch festgestellt, dass sie die Photospannung deutlich reduzieren. Um zu verstehen, warum dies der Fall ist, hat ein Team um Fatwa Abdi am HZB-Institut für Solare Brennstoffe die α-SnWO₄/NiOx-Grenzfläche an BESSY II im Detail analysiert. „Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich an der Grenzfläche eine dünne Oxidschicht bildet, die die Photospannung reduziert“, erklärt Abdi.

Ausblick: Schutzschicht ohne Nachteile

Insgesamt liefert die Studie grundlegende neue Erkenntnisse über die komplexe Natur von Grenzflächen in Metalloxid-basierten Photoelektroden. „Diese Einblicke sind sehr hilfreich für die Entwicklung kostengünstiger, skalierbarer Metalloxid-Photoelektroden“, sagt Abdi. α-SnWO₄ ist in dieser Hinsicht besonders vielversprechend. „Wir arbeiten derzeit an einem alternativen Abscheidungsprozess für NiOx auf α-SnWO₄, der nicht zur Bildung einer Grenzflächenoxidschicht führt. Wenn dies gelingt, erwarten wir, dass sich die photoelektrochemische Leistung von α-SnWO₄ deutlich erhöhen wird.“

3.2.2021 | Quelle: HZB | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH