Photo-Anode aus Metalloxid schützt Zelle vor Korrosion
Die Experten um van de Krol haben nun eine verhältnismäßig einfache Silizium-Dünnschichtzelle 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 Wismut-Vanadat müssten theoretisch sogar Wirkungsgrade bis zu neun Prozent für die elektrochemische Zelle erreichbar sein, erklärt van de Krol. 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.
Neuer Rekord bei der Ladungstrennung im Metalloxid erreicht
Die größte Herausforderung war es jedoch, in der Wismut-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 Wolfram-Atome in der Wismut-Vanadat-Schicht hilfreich ist. „Es kommt darauf an, diese Wolfram-Atome optimal zu verteilen, dann erzeugen sie ein internes elektrisches Feld, das die Rekombination verhindert“, erklärt van de Krol.
Um dies zu erreichen, sprühten sie eine Lösung von Wismut, Vanadium und Wolfram auf ein heißes Glassubstrat auf, wobei das Lösungsmittel verdampft. Durch mehrfaches Wiederholen des Sprühvorgangs mit jeweils unterschiedlichen Wolfram-Konzentrationen, entsteht eine höchst-effiziente Photo-aktive Metalloxid-Schicht von etwa 300 Nanometern Dicke. „Wir verstehen noch nicht sehr gut, warum gerade Wismut-Vanadat so besonders gut funktioniert. Wir haben aber festgestellt, dass mehr als 80 Prozent der eingefangenen Photonen auch genutzt werden, das ist wirklich ein Rekord für ein Metalloxid und war auch physikalisch unerwartet“, sagt van de Krol. Eine der nächsten Herausforderungen wird sein, solche Systeme auf Quadratmetergröße hoch zu skalieren, damit sie relevante Mengen an Wasserstoff erzeugen können.
In Politik und Wissenschaft nimmt die Hoffnung zu, dass Wasserstoff eine wichtige Rolle bei der Energiewende spielen kann. Bundesumweltminister Altmaier sagte der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung: „Ich bin optimistisch, dass die Entwicklung der Forscher des Helmholtz-Zentrums und der Universität Delft dazu beitragen kann, Wasserstoff einfacher zu gewinnen, als das bisher der Fall ist.“ Altmaier wies darauf hin, dass die Speicherung von Energie das „große Thema“ sei, „das uns im Zusammenhang mit der Energiewende in den nächsten Jahren beschäftigen wird“.
->Quelle(n): helmholtz-berlin.de; tudelft.nl/tu-delft-verbetert-productie-van-waterstof-uit-zonlicht; nature.com; helmholtz-berlin/solare-brennstoffe; faz.net