Weltrekord bei der direkten solaren Wasserspaltung
Internationales Forscher-Team steigert den Wirkungsgrad auf 19 Prozent
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Photokathode: Licht fällt durch eine Schutzschicht (Foto: ACS Energy Letters) |
Berlin (pte017/05.07.2018/12:30) Einem internationalen Forscher-Team ist es gelungen, den Wirkungsgrad für die direkte solare Wasserspaltung zur Wasserstoffgewinnung auf 19 Prozent zu steigern. Die Experten haben hierzu eine Tandem-Solarzelle aus III-V-Halbleitern mit Rhodium-Nanopartikeln und kristallinem Titandioxid miteinander kombiniert. An der Arbeit waren Teams aus dem California Institute of Technology (Caltech), der University of Cambridge, der TU Ilmenau und dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE beteiligt. Einige Experimente fanden am Institut für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin http://helmholtz-berlin.de statt.
Monolithische Photokathode
Für die untersuchten monolithischen Photokathode haben die Forscher eine hocheffiziente Tandem-Zelle mit weiteren funktionalen Schichten kombiniert. Dabei gelang es ihnen, die Verluste durch Lichtreflexion und Absorption an der Oberfläche deutlich zu verringern. "Darin besteht auch die Innovation", sagt Hans-Joachim Lewerenz vom Caltech: "Denn bereits 2015 konnten wir in einer früheren Zelle einen Wirkungsgrad von über 14 Prozent erreichen, damals ein Weltrekord. Hier haben wir die Antikorrosionsschicht durch eine kristalline Titandioxid-Schicht ersetzt, die nicht nur hervorragende Antireflexionseigenschaften besitzt, sondern an der auch die Katalysator-Teilchen haften bleiben."
Die Experten haben außerdem ein neues elektrochemisches Verfahren genutzt, um die Rhodium-Nanoteilchen herzustellen, die als Katalysatoren für die Wasserspaltung dienen. Sie messen nur zehn Nanometer im Durchmesser und sind damit optisch nahezu transparent, also ideal geeignet für ihre Aufgabe. Unter simulierter Sonneneinstrahlung erzielten die Forscher einen Wirkungsgrad von 19,3 Prozent in verdünnter, wässriger Perchlorsäure, in (neutralem) Wasser immerhin noch 18,5 Prozent. Dies reicht schon nahe an den theoretisch maximalen Wirkungsgrad von 23 Prozent heran, der sich mit dieser Kombination von Schichten aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften erreichen lässt.
Solarzelle wird gezielt geschützt
"Die kristalline Titandioxid-Schicht schützt die eigentliche Solarzelle nicht nur vor Korrosion, sondern verbessert durch ihre günstigen elektronischen Eigenschaften auch den Ladungstransport", erklärt Matthias May, der einen Teil der Experimente zur Effizienzbestimmung am HZB-Institut für Solare Brennstoffe durchgeführt hat. Der nun publizierte Rekordwert basiert auf Arbeiten, die May bereits als Doktorand am HZB begonnen hatte. "Die Stabilität konnten wir auf knapp 100 Stunden steigern; das ist ein großer Fortschritt im Vergleich zu Vorgängersystemen, die bereits nach 40 Stunden korrodiert waren. Dennoch bleibt hier noch viel zu tun", unterstreicht May abschließend.
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