Durchbruch bei Solarer Wasserstoffproduktion

Mit einer einfachen Solarzelle und einer Photo-Anode aus Metalloxid konnten Forscher aus dem HZB und der TU Delft fast 5 % der Solarenergie chemisch in Form von Wasserstoff speichern. Dies ist ein Durchbruch, weil die verwendete Solarzelle deutlich einfacher aufgebaut ist, als die sonst eingesetzten Hochleistungszellen, die aus triple junctions von dünnen, amorphen Siliziumschichten oder teuren III-V-Halbleitern bestehen.

Fällt Licht auf das System, entsteht eine elektrische Spannung. Die Metalloxidschicht fungiert als Photo-Anode, dort bildet sich Sauerstoff. Sie ist durch eine leitfähige Brücke aus Graphit (schwarz) mit der Solarzelle verbunden. Da nur die Metalloxidschicht mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt, bleibt die restliche Solarzelle vor Korrosion geschützt. Eine Platinspirale dient als Kathode, hier bildet sich Wasserstoff / Bildquelle: TU Delft

Die Photo-Anode aus dem Metalloxid Bismut-Vanadat (BiVO₄) wurde – versetzt mit zusätzlichen Wolframatomen – einfach aufgesprüht und mit einem preisgünstigen Kobalt-Phosphat Katalysator beschichtet. Prof. Dr. Roel van de Krol, Leiter des HZB-Instituts für Solare Brennstoffe, nutzt die chemische Stabilität und den niedrigen Preis von Metalloxiden, bringt dies mit einer sehr guten, aber recht einfachen Siliziumdünnschichtsolarzelle zusammen und erhält so eine günstige, sehr stabile und leistungsstarke Zelle. Damit haben die Experten ein einfaches System entwickelt, das mit Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten kann. Dieser Prozess ist unter dem Stichwort Künstliche Photosynthese bekannt und ermöglicht es, die Energie der Sonne in Form von Wasserstoff chemisch zu speichern. Denn Wasserstoff kann entweder direkt oder in Form von Methan als Brennstoff genutzt werden oder in Brennstoffzellen Strom erzeugen. Eine Überschlagsrechnung zeigt, welches Potenzial diese Technologie besitzt: Bei einer Sonnenleistung von rund 600 W/m² in Deutschland könnten 100 m² eines solchen Systems in einer einzigen sonnigen Stunde schon 3 kWh Energie in Form von Wasserstoff abspeichern. Diese Energie würde dann nachts oder an bewölkten Tagen zur Verfügung stehen.

Die Experten um van de Krol haben nun eine verhältnismäßig einfache Siliziumdünnschichtzelle mit einer Schicht aus Metalloxid kombiniert. Nur diese Schicht kommt in Kontakt mit dem Wasser und fungiert so als Photo-Anode für die Bildung von Sauerstoff. Gleichzeitig schützt sie die empfindliche Siliziumzelle vor Korrosion. Sie untersuchten systematisch in unterschiedlichen Metalloxiden, wie die Prozesse vom Lichteinfall über die Ladungstrennung bis zur Wasserspaltung ablaufen, um diese weiter zu optimieren. Mit einer Photo-Anode aus Bismut-Vanadat müssten theoretisch sogar Wirkungsgrade bis zu 9 % für die elektrochemische Zelle erreichbar sein. Ein Problem konnten sie schon lösen: Mit Hilfe eines preiswerten Kobalt-Phosphat-Katalysators schafften sie es, die Bildung von Sauerstoff an der Photo-Anode deutlich zu beschleunigen.

Die größte Herausforderung war es jedoch, in der Bismut-Vanadat-Schicht die Ladungen effizient zu trennen. Denn Metalloxide sind zwar stabil und billig, aber die Ladungsträger neigen dazu, rasch wieder zusammenzufinden, also zu rekombinieren. Damit gehen sie für die Wasserspaltung verloren. Van de Krol und seine Mitarbeiter fanden nun heraus, dass hier der Einbau zusätzlicher Wolframatome in der Bismut-Vanadat-Schicht hilfreich ist. Es kommt darauf an, diese Wolframatome optimal zu verteilen, dann erzeugen sie ein internes elektrisches Feld, das die Rekombination verhindert. Um dies zu erreichen, sprühten sie eine Lösung von Bismut, Vanadium und Wolfram auf ein heißes Glassubstrat auf, wobei das Lösungsmittel verdampft. Durch mehrfaches Wiederholen des Sprühvorgangs mit jeweils unterschiedlichen Wolframkonzentrationen, entsteht eine höchsteffiziente Photo-aktive Metalloxidschicht von etwa 300 nm Dicke. Es ist noch nicht klar ersichtlich, warum gerade Bismut-Vanadat so besonders gut funktioniert. Die Forscher haben aber festgestellt, dass mehr als 80 % der eingefangenen Photonen auch genutzt werden, das ist wirklich ein Rekord für ein Metalloxid und war auch physikalisch unerwartet. Eine der nächsten Herausforderungen wird sein, solche Systeme auf Quadratmetergröße hoch zu skalieren, damit sie relevante Mengen an Wasserstoff erzeugen können.

Die Arbeit ist in Nature Communications veröffenticht. DOI: 10.1038/ncomms3195.

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