13. Oktober 2023 | Ein Forschungsteam der Universität Tübingen hat eine neue Solarzelle zur Wasserstoffproduktion entwickelt. Die in Wasser getauchte Zelle ist Kern einer photoelektrochemischen Apparatur. Das Besondere: Mit 18 % hat die Solarzelle hat einen enorm hohen Wirkungsgrad – und das Potential für die Anwendung im industriellen Maßstab.
Die Schlenk-Zelle, in der sich die photoelektrochemische Solarzelle befindet. (Quelle: Valentin Marquardt/ Universität Tübingen)
Das Forschungsteam um Dr. Matthias May vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen hat eine neue Solarzelle entwickelt. Sie ist der Hauptbestandteil einer photoelektrochemischen Apparatur und arbeitet direkt mit den Katalysatoren für die Wasserspaltung zusammen. Eine Neuheit der Tübinger Entwicklung: Ein zusätzlicher externer Stromkreis, wie etwa bei einem Photovoltaik-Solarpanel, ist nicht mehr nötig.
Dieser Ansatz macht die Technologie kompakter, flexibler und potenziell kosteneffizienter. Bemerkenswert am Aufbau der Solarzelle sei zudem die hohe Kontrolle der Grenzflächen zwischen den verschiedenen Materialien. Die Oberflächenstrukturen werden hier auf einer Skala von wenigen Nanometern hergestellt und überprüft.
Wirkungsgrad-Weltrekord
Aber es gibt noch Schwierigkeiten: Mit dem skizzierten Aufbau wachsen die Anforderungen an die Solarzelle; nach Angaben der Forscher entstehen schnell kleine Kristalldefekte. Diese bilden sich beim Wachstum der Solarzellenschichten. Außerdem verändern sie die elektronische Struktur und können damit einerseits die Effizienz und andererseits die Stabilität des Systems senken.
Dr. May ergänzt: „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.“
Detailaufnahme der photoelektrochemischen Solarzelle im Sonnensimulator. (Quelle: Valentin Marquardt/ Universität Tübingen)
Die Effizienz der solaren Wasserspaltung wird in Form des Wirkungsgrades gemessen. Der Wirkungsgrad zeigt dabei an, wieviel Prozent der Energie des Sonnenlichts in nutzbare Energie des Wasserstoffs (Heizwert) umgewandelt werden kann. Mit einem Wirkungsgrad von 18% habe das Forschungsteam den zweithöchsten je gemessenen Wert für die direkte solare Wasserspaltung erreicht. Es handle sich sogar um einen Weltrekord, wenn man die Fläche der Solarzelle berücksichtigt.
Die ersten etwas höheren Wirkungsgrade für die Solare Wasserspaltung wurden 1998 mit 12% vom NREL in den USA präsentiert. Erst 2015 folgte der Sprung auf 14% (May et al.) und 2018 auf 19% (Cheng et al).
Anwendung in industriellem Maßstab denkbar
Dass die Technologie marktfähig ist, zeigten inzwischen mehrere Ausgründungen an anderen Universitäten mit geringeren Effizienzen.
Erica Schmitt, Erstautorin der Studie, erklärt: „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 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt H2Demo, an dem unter anderem das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (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.
Die Originalpublikation finden Sie hier(Quelle: Universität Tübingen/2023)
