Licht mit Wasser speichern

09.01.2019

Licht mit Wasser speichern

TU-Wissenschaftler forschen an Solarzellen der dritten Generation

Materialwissenschaftler um Professor Wolfram Jaegermann und Dr. Bernhard Kaiser erforschen die Grundlagen für eine erstaunlich einfache Art, Energie zu speichern – durch Spaltung von Wasser.

Im Labor: Dr. Bernhard Kaiser begutachtet einen Prozessierungsschritt zur Herstellung dünner Katalysatorschichten. – © Katrin Binner
Im Labor: Dr. Bernhard Kaiser begutachtet einen Prozessierungsschritt zur Herstellung dünner Katalysatorschichten. Bild: Katrin Binner

Erneuerbare Energien haben einen entscheidenden Nachteil: Sie sind abhängig von den aktuellen Wetterbedingungen. Solarzellen produzieren Energie, wenn die Sonne scheint, und Windturbinen benötigen Wind, um sich zu drehen. Die Energie muss zwischengespeichert werden, damit sie den ganzen Tag überall mit gleicher Leistung verfügbar ist. Aber das ist eine Herausforderung: Konventionelle Speichertechnologien sind nicht dafür ausgelegt, schnell und flexibel Energie nach Bedarf zu liefern. Ein idealer Speicher ist zudem nah am Ort der Energiegewinnung, damit beim Transport keine un­nötigen Verluste entstehen.

Im Falle von Solarzellen könnte die Energie direkt am Ort chemisch gespeichert werden: durch Abspaltung von Wasserstoff aus Wasser. Dafür müssen die Solarzellen aufgerüstet werden – aber wie lässt sich das mit modernen Zellen realisieren, deren Zusammensetzung bereits hochkomplex ist? Dieser Frage gehen TU-Forscher um Wolfram Jaegermann und Bernhard Kaiser vom Fachgebiet Oberflächenforschung auf den Grund. Sie untersuchen Solarzellen der dritten Generation – mehrschichtige Halbleiterstrukturen, an deren Oberflächen die von Sonnenlicht getriebene Wasserspaltung abläuft. Die entscheidenden Reaktionsmechanismen sind aber noch nicht ausreichend verstanden.

Um das Solarzellen-System effizient und stabil für eine Wasserstoff-Spaltung aufzubereiten, müssen die Forscher akribische Detektivarbeit leisten: Welche Materialien eignen sich als Halbleiter, Katalysator oder zur Elektrolyse? Was passiert beim Zusammenfügen der Materialien? Welche Einflüsse treten von außen auf? Diese Forschungen sind Teil eines Schwerpunktprogramms „Regenerative Erzeugung von Brennstoffen mittels Licht-getriebener Wasserspaltung“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Insgesamt 19 deutsche Forschungseinrichtungen sind beteiligt.

Die Natur als Vorbild

Die grundsätzliche Idee für diese Art der Energie-Speicherung kommt aus der Natur: Das Blatt einer Pflanze absorbiert Sonnenlicht und nimmt Kohlendioxid aus der Luft und Wasser aus dem Boden auf. Diese werden zu energiereichen Kohlenwasserstoffverbindungen wie Zucker umgewandelt. Die Forscher experimentieren damit, diese Prozesse nachzuahmen – sie entwickeln eine Solarzellen-Technik, die wie künstliche Blätter („Artificial Leaves“) funktionieren. „Die Grundidee ist die Umwandlung von Photonen in chemische Speichermaterialien“, sagt Bernhard Kaiser. „Die künstlichen Zellen bestehen aus Halbleiterelektroden, die die Lichtenergie in elektrische Ladungsträger umwandeln. Statt diese direkt als Strom zu nutzen, sollen die Photoelektroden eingesetzt werden, um an der Oberfläche Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.“ Der entstehende Wasserstoff kann nahe bei der Zelle gespeichert werden. Die Energierückgewinnung erfolgt in einer Brennstoffzelle durch kontrollierte Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff. Es entsteht dabei der Ausgangsstoff das Wasser. Man hat somit einen geschlossenen Kreislauf ohne weitere Abfallprodukte.

Doch so einfach, wie der Prozess klingt, ist er nicht – insbesondere weil die bisherigen Lösungen ineffizient und instabil sind. Und genau da setzen die Forscher an: Sie möchten heraus­finden, wie die beteiligten Prozesse genau funktionieren und welche Material-Kombinationen optimal sind. Um Wasser spalten zu können, benötigt ein Zellensystem eine Spannung von 1,6 bis 1,9 Volt. Eine Silizium-Solarzelle weist 0,7 Volt auf – und damit zu wenig. Das Forschungszentrum Jülich, ein Partner im Schwerpunktprogramm, hat daher mehrere Schichten aus amorphem und mikrokristallinem Silizium zu einer Zelle kombiniert. Diese absorbiert unterschiedliche Wellenlängen des Lichts und erhöht die Photospannung: Eine Vierfachzelle erzeugt zum Beispiel 2,5 V. Damit gelingt die Spaltung von Wassermolekülen.

Das Erdöl der Zukunft

Den TU-Wissenschaftlern geht es insbesondere um die Erforschung der Wechselwirkungen ­einer solchen Mehrfach-Zelle mit Schutzschichten und Elektrokatalysatoren. Sie entscheiden unter anderem darüber wie elektrisch leitfähig und damit effizient die Zelle ist. Die Darmstädter ermitteln, was auf atomarer Ebene passiert, wenn diese Materialien Lage für Lage im Labor zusammenwachsen. So besitzen die Atome an der Oberfläche einer Schicht andere Eigen­schaften als die Atome des gleichen Materials im Inneren. „Es kommt unter anderem zu Rekonstruktionen an der Oberfläche, also Verschiebungen der Atome und damit zu einer Veränderung der elektronischen Eigenschaften“, sagt Kaiser. „Dies und die hohe Reaktivität mit Molekülen aus der Atmosphäre können zu einer deutlichen Verschlechterung der angestrebten Material­eigenschaften führen.“

Die Detektivarbeit lohnt sich. Bei Dreifachzellen mit Platin als Katalysatorschicht und Rutheniumoxid als Gegenelektrode gelang den Forschern bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff eine Effizienz von 9,5 Prozent. „Das ist eine sehr gute Ausbeute in diesem frühen Stadium der Forschung“, sagt Kaiser. Verbesserungen verspricht er sich dabei, künftig die getesteten Zellen mit Solarzellen aus anderen Materialien zu kombinieren, um bei gleicher Sonnenstrahlung eine noch höhere Effizienz zu erzielen, sowie durch den Ersatz der Edelmetallkatalysatoren.

Neben der Suche nach idealen Photoabsorbern und Elektrokatalysatoren entwickeln die Forscher zudem ein immer besser werdendes Verständnis der den photokatalytischen Systemen zugrunde liegenden elektrochemischen Prinzipien. Mit effizienten und ökonomischen künstlichen Blättern ließe sich der erzeugte Wasserstoff in einem zukünftigen Energieszenario direkt mit Kohlendioxid zu gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen umwandeln. Diese könnten wie herkömmliche Kohlenwasserstoffverbindungen genutzt werden – damit wäre Wasser sozusagen das Erdöl oder die Kohle der Zukunft.

Daten und Fakten

Das Schwerpunktprogramm 1613 der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit dem Titel „Regenerativ erzeugte Brennstoffe durch lichtgetriebene Wasserspaltung: Aufklärung der Elementarprozesse und Umsetzungsperspektiven auf technologische Konzepte“ läuft seit 2012 und wird bis März 2019 gefördert. Es ist an der TU Darmstadt mit einem Teilprojekt verankert. Koordinator ist Professor Wolfram Jaegermann (Fachgebiet Oberflächenforschung im Fachbereich Material- und Geowissenschaften der TU Darmstadt).

Wichtige Publikationen aus der Arbeitsgruppe:

J. Ziegler, F. Yang, S. Wagner, B. Kaiser, W. Jaegermann, F. Urbain, J.-P. Becker, V. Smirnov, and F. Finger, Interface engineering of titanium oxide protected a-Si:H/a-Si:H photoelectrodes for light induced water splitting, Applied Surface Science 389, 73 (2016).
doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.07.074

F. Urbain, V. Smirnov, J.-P. Becker, A. Lambertz, F. Yang, J. Ziegler, B. Kaiser, W. Jaegermann, U. Rau, and F. Finger, Multijunction Si photocathodes with tunable photovoltages from 2.0 V to 2.8 V for light induced water splitting, Energy & Environ­mental Science 9, 145 (2016). doi: 10.1039/C5EE02393A

Die Arbeitsgruppe widmet sich auch grundlegenden Mechanismen von Halbleiter-Grenzflächen. Ein Team untersuchte unter anderem die Eignung von Hämatit und anderen Übergangsmetalloxiden zur regenerativen Erzeugung von Wasserstoff. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in Nature Communications:

Christian Lohaus, Andreas Klein & Wolfram Jaegermann: Limitation of Fermi level shifts by polaron defect states in hematite photoelectrodes, Nature Communications (2018)9:4309,
doi: 10.1038/s41467-018-06838-2

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