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Neuer Weltrekord bei der direkten solaren Wasserspaltung

Neuer Weltrekord bei der direkten solaren Wasserspaltung

(Quelle: Fraunhofer ISE, 05.07.2018)

In einem nachhaltigen Energiesystem wird Wasserstoff als Speichermedium eine wichtige Rolle spielen. Einem internationalen Forscher-Team ist es jetzt gelungen, den Wirkungsgrad für die direkte solare Wasserspaltung zur Wasserstoffgewinnung auf 19 Prozent zu steigern. Sie kombinierten dafür eine Tandem-Solarzelle aus III-V-Halbleitern mit Rhodium-Nanopartikeln und kristallinem Titandioxid. An der Forschungsarbeit waren Teams aus dem California Institute of Technology, der University of Cambridge, der TU Ilmenau und dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE beteiligt. Ein Teil der Experimente fand am Institut für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin statt.
Die Photovoltaik ist eine Hauptsäule in einem Energieversorgungssystem auf Basis erneuerbarer Quellen, und Sonnenlicht steht weltweit reichlich zur Verfügung – allerdings nicht rund um die Uhr. Ein Lösungsansatz für den Umgang mit dieser fluktuierenden Stromgewinnung besteht darin, Sonnenlicht in Form von chemischer Energie zu speichern, konkret: mit Sonnenlicht Wasserstoff zu produzieren. Denn Wasserstoff lässt sich gut speichern und vielseitig nutzen, ob in einer Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom und Wärme oder als Ausgangsbasis für Brennstoffe. Kombiniert man Solarzellen mit Katalysatoren und weiteren funktionalen Schichten zu einer »monolithischen Photoelektrode« aus einem Block, wird die Aufspaltung von Wasser besonders einfach: dabei befindet sich die Photokathode im wässrigen Medium, und wenn Licht auf sie fällt, bildet sich auf der Vorderseite Wasserstoff, auf der Rückseite Sauerstoff.

Für die hier untersuchte monolithische Photokathode haben die Forscher eine am Fraunhofer ISE entwickelte hocheffiziente Tandem-Zelle aus III-V-Halbleitern mit weiteren funktionalen Schichten kombiniert. Dabei gelang es ihnen, die Verluste durch Lichtreflexion und Absorption an der Oberfläche deutlich zu verringern.

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