Bei der solaren Wasserspaltung, häufig auch als künstliche Photosynthese bezeichnet, wird Wasserstoff mit Energie aus der Sonne hergestellt. Ein Forschungsteam um Matthias May vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen hat eine Solarzelle entwickelt, die integraler Bestandteil der photoelektrochemischen Apparatur ist und direkt mit den Katalysatoren für die Wasserspaltung zusammenarbeitet.

Dieser innovative Ansatz macht die Technologie kompakter, flexibler und potenziell kosteneffizienter. Aber mit diesem Aufbau werden auch die Anforderungen an die Solarzelle größer. Das Besondere am Aufbau der Solarzelle ist die hohe Kontrolle der Grenzflächen zwischen den verschiedenen Materialien. Die Oberflächenstrukturen werden hier auf einer Skala von wenigen Nanometern hergestellt und überprüft. Besonders schwierig sind kleine Kristalldefekte, die beispielsweise beim Wachstum der Solarzellenschichten entstehen. Diese verändern auch die elektronische Struktur und können damit einerseits die Effizienz und andererseits die Stabilität des Systems senken. „Insgesamt bleibt die Korrosion und somit die Langzeitstabilität der sich im Wasser befindenden Solarzelle aber die größte Herausforderung. Hier haben wir nun große Fortschritte im Vergleich zu unseren früheren Arbeiten gemacht“, sagt Matthias May.

Solarzelle erreicht 18 Prozent Wirkungsgrad bei der Wasserspaltung

Die Effizienz der solaren Wasserspaltung wird in Form des Wirkungsgrades gemessen. Der Wirkungsgrad zeigt dabei an, wieviel Prozent der Energie des Sonnenlichts man in nutzbare Energie des Wasserstoffs in Form des Heizwertes des Brennstoffes umwandeln kann. Mit einem Wirkungsgrad von 18 % präsentiert das Forschungsteam den zweithöchsten je gemessenen Wert für die direkte solare Wasserspaltung mit einer Solarzelle und sogar einen Weltrekord, wenn man die Fläche der Solarzelle berücksichtigt.

Dass die Technologie kommerzialisierbar ist, zeigen laut den Forscher:innen inzwischen mehrere Ausgründungen an anderen Universitäten mit deutlich geringeren Effizienzen. Erica Schmitt, Erstautorin der Studie, sagt: „Was wir hier entwickelt haben, ist eine Technologie der solaren Wasserstofferzeugung, die keine leistungsstarke Anbindung an das Elektrizitätsnetz erfordert. Dadurch sind auch dauerhafte kleinere Insellösungen zur Energieversorgung denkbar.“

Die Tübinger Arbeiten sind eingebettet in das Verbundprojekt H2Demo, an dem unter anderem das Fraunhofer Institut für Solare Energiesystem (ISE) beteiligt ist. Die nächsten Schritte umfassen die Verbesserung der Langzeitstabilität, den Transfer auf ein kostengünstigeres Materialsystem auf Siliziumbasis und die Skalierung auf größere Flächen.

5.10.2023 | Quelle: Universität Tübingen | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH