Photoelektrochemische Wasserspaltung: Leitfaden für standardisierte Wirkungsgrad-Messungen

Messungen der Effizienz der photoelektrochemischen Wasserspaltung (PEC) an einem identischen System können in verschiedenen Labors stark voneinander abweichen, da es keine standardisierten Methoden gibt. Daher haben Wissenschaftler:innen des National Renewable Energy Laboratory (NREL) und des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) nun einen Leitfaden entwickelt. Dieser soll Forscher:innen Methoden an die Hand geben, wie sie die Effizienz der direkten Wasserstofferzeugung aus Sonnenenergie am besten messen können. Diese Best Practice Methoden haben beide Laboratorien im Rahmen von Ringversuchen überprüft, bei denen sie die gleiche Testhardware, PEC-Photoelektroden und Messverfahren verwendet haben. Die Forschung im Bereich der Photovoltaik hat eine Zertifizierung der Zellwirkungsgrade ermöglicht, aber für die Messung des PEC-Wasserspaltungswirkungsgrads gibt es noch kein allgemein anerkanntes Protokoll.

„Es ist wirklich schwierig, gemeldete PEC-Wasserspaltungswirkungsgrade zwischen verschiedenen Labors zu vergleichen, weil die Leute dazu neigen, Messungen unter unterschiedlichen Bedingungen durchzuführen“, sagt Todd Deutsch, ein leitender Wissenschaftler am NREL. „Die Motivation für dieses Protokollpapier war, sowohl als Leitfaden für Forscher zu dienen, die gerade erst in das Feld einsteigen, als auch subtile Techniktipps für erfahrenere Wissenschaftler zu beschreiben“, sagt Francesca Toma, eine Materialwissenschaftlerin am Berkeley Lab.

Der Leitfaden zeigt einen Weg auf, wie alle Labors einheitliche experimentelle Verfahren anwenden können. Angefangen bei den Materialien, die man für die Herstellung von Photoelektroden benötigt. Die Autoren gehen detailliert auf das Herstellungsverfahren, den Versuchsaufbau und das Verfahren zur Messung des Wirkungsgrads von Solar-to-Hydrogen (STH) ein. Die direkte Messung der durch photoelektrochemische Wasserspaltung erzeugten Wasserstoffmenge ist für eine genaue Charakterisierung der STH-Effizienz erforderlich, so die Forscher.

Wasserstofferzeugung aus Sonnenenergie seit 1972 bekannt

Die photoelektrochemische Wasserspaltung wurde erstmals 1972 in wissenschaftlichen Veröffentlichungen erwähnt. Seitdem hat die Forschung das Verfahren immer weiter verfeinert und verbessert, aber bisher wurden keine standardisierten STH-Messverfahren eingeführt. Das NREL stellte 1998 den ersten Rekord für einen STH-Wirkungsgrad von mehr als 10 % auf, korrigierte diese Zahl jedoch 2016 in einer Veröffentlichung nach unten, in der häufige Fallstricke bei der Messung des Wirkungsgrads beschrieben wurden, nachdem man festgestellt hatte, dass das ursprüngliche Experiment zu stark beleuchtet worden war.

Im Jahr 2017 nutzte das Team die Technik der Bandlücke, um Lichtabsorber zu entwerfen, die für die Nutzung des Sonnenspektrums optimiert waren. Somit war ein höherer STH-Wert von 16,2 % möglich, der zu diesem Zeitpunkt einen neuen Weltrekord darstellte. Das U.S. Department of Energy’s Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office hat 25 % als Ziel für STH durch photoelektrochemische Wasserspaltung festgelegt. Vorläufige Kostenanalysen deuten aber lauf NREL darauf hin, dass man wettbewerbsfähigen Wasserstoff mit niedrigeren Wirkungsgraden produzieren könnte. Photoelektroden haben Wirkungsgrade von 10 bis 20 % gezeigt.

Die PEC-Forscher arbeiten auch weiterhin an der Verbesserung der Haltbarkeit. Der Halbleiter, den man zum Einfangen des Sonnenlichts verwendet, ist in einen wässrigen Elektrolyten eingetaucht. Da der pH-Wert des Elektrolyten jedoch von sauer bis alkalisch reicht, korrodiert der Elektrolyt den Halbleiter und verkürzt seine Lebensdauer. „Die Haltbarkeit ist immer noch ein ziemlicher Hemmschuh für diese Technologie“, sagt Deutsch. „Es gab zwar einige Fortschritte, aber nicht annähernd so viel wie in letzter Zeit bei der Verbesserung der Effizienz„.

1.11.2022 | Quelle: NREL | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH