Fotosynthesesystem erzeugt Wasserstoff und Elektrizität simultan

Auf der Suche nach reichlich vorhandenen, erneuerbaren Alternativen zu fossilen Brennstoffen versuchen Wissenschaftler, die Energie der Sonne durch "Wasserspaltung" zu gewinnen, eine künstliche Fotosynthesemethode, die Sonnenlicht nutzt, um Wasserstoff aus Wasser zu erzeugen.

Doch Wasserspaltsysteme müssen noch ihr Potenzial ausschöpfen, denn es gibt immer noch kein Design für Materialien mit der richtigen Mischung aus optischen, elektronischen und chemischen Eigenschaften, die für ein effizientes Arbeiten erforderlich sind.

Jetzt haben Forscher des 'Lawrence Berkeley National Laboratory' (Berkeley Lab) und des 'Joint Center for Artificial Photosynthesis' (JCAP) ein neues Verfahren für erneuerbare Kraftstoffe entwickelt, das die Einschränkungen der heutigen Materialien umgehen könnte.

Es handelt sich um ein künstliches Fotosynthesegerät namens "hybride fotoelektrochemische und voltaische (HPEV)-Zelle", das Sonnenlicht und Wasser in nicht nur eine, sondern zwei Energiearten umsetzt - Wasserstoff und Elektrizität. Der Forschungsbericht wurde in "Nature Materials" veröffentlicht.

Die meisten Wasserspaltgeräte bestehen aus einem Stapel Licht absorbierender Materialien. Je nach Zusammensetzung absorbiert jede Schicht verschiedene Bereiche oder "Wellenlängen" des Sonnenlichtspektrums, von weniger energetischen Wellenlängen des Infrarotlichts bis zu mehr energetischen Wellenlängen des sichtbaren oder ultravioletten Lichts.

Wenn jede Schicht Licht absorbiert, baut sie eine elektrische Spannung auf. Diese einzelnen Spannungen vereinen sich zu einer Gesamtspannung, die groß genug ist, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten.

Doch laut Gideon Segev, Postdoc bei JCAP und Hauptautor der Studie, besteht das Problem dieser Konfiguration darin, dass Silizium-Solarzellen zwar sehr nahe an ihrer Leistungsgrenze Strom erzeugen können, ihr Leistungspotenzial aber beeinträchtigt wird, wenn sie Teil eines Wasser spaltenden Gerätes sind.

Der Strom, der durch das Gerät fließt, wird durch andere Materialien im Stapel begrenzt, die nicht so gut funktionieren wie Silizium, und als Ergebnis produziert das System viel weniger Strom als es könnte - und je weniger Strom es erzeugt, desto weniger Solarbrennstoff kann es produzieren.

"Es ist, als würde man ein Auto immer im ersten Gang fahren", sagte Segev. "Das ist Energie, die man ernten könnte, aber weil Silizium nicht an seinem maximalen Leistungspunkt wirkt, können die meisten der angeregten Elektronen im Silizium nirgendwo hingehen. Also verlieren sie ihre Energie, bevor sie sich für nützliche Arbeiten verwenden lassen."

So schlugen Segev und seine Coautoren - Jeffrey W. Beeman, ein JCAP-Forscher von Berkeley Lab, und die ehemaligen Berkeley Lab- und JCAP-Forscher Jeffery Greenblatt, der heute die in der Bay Area ansässige Technologieberatung Emerging Futures LLC leitet, und Ian Sharp, heute Professor für experimentelle Halbleiterphysik an der Technischen Universität München, eine überraschend einfache Lösung für ein komplexes Problem vor.

"Wir dachten: "Was wäre, wenn wir die Elektronen einfach rauslassen?", sagte Segev.

Bei Wasser spaltenden Geräten ist die Vorderfläche in der Regel für die Herstellung von Solarbrennstoffen vorgesehen, und die Rückseite dient als elektrischer Ausgang. Um die Einschränkungen des konventionellen Systems zu umgehen, fügten sie der Rückseite der Siliziumkomponente einen zusätzlichen elektrischen Kontakt hinzu, was zu einem HPEV-Gerät mit zwei statt nur einem Kontakt auf der Rückseite führte.

Durch den zusätzlichen Rückausgang kann der Strom geteilt werden, sodass ein Teil des Stroms zur Erzeugung von Solarbrennstoffen beiträgt und der Rest als elektrische Energie gewonnen werden kann.

Nachdem sie eine Simulation durchgeführt hatten, um vorherzusagen, ob die HPEC wie geplant funktionieren würde, stellten sie einen Prototyp her, um ihre Theorie zu testen. "Und zu unserer Überraschung hat es funktioniert!", sagte Segev.

"In der Wissenschaft ist man sich nie ganz sicher, ob alles funktioniert, auch wenn Computersimulationen es vorhersagen. Es war schön zu sehen, dass unsere Experimente die Vorhersagen unserer Simulationen bestätigten."

Nach den Berechnungen der Forscher würde ein herkömmlicher Solar-Wasserstoffgenerator, der auf einer Kombination von Silizium und Wismutvanadat basiert, einem Material, das weithin für die solare Wasserspaltung untersucht wird, Wasserstoff mit einem Wirkungsgrad von 6,8 Prozent erzeugen.

Mit anderen Worten, von der gesamten einfallenden Sonnenenergie, die auf die Oberfläche einer Zelle trifft, werden 6,8 Prozent in Form von Wasserstoff als Brennstoff gespeichert, und der Rest geht verloren.

Im Gegensatz dazu sammeln die HPEV-Zellen überschüssige Elektronen, die nicht zur Kraftstofferzeugung beitragen. Diese Restelektronen werden stattdessen zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet, was zu einer drastischen Steigerung des Gesamtwirkungsgrades der Solarenergieumsetzung führt, sagte Segev.

So können beispielsweise nach den gleichen Berechnungen die gleichen 6,8 Prozent der Sonnenenergie als Wasserstoffkraftstoff in einer HPEV-Zelle aus Wismutvanadat und Silizium gespeichert und weitere 13,4 Prozent der Sonnenenergie in Strom umgewandelt werden (siehe Abbildung links). Dies erreicht einen Gesamtwirkungsgrad von 20,2 Prozent, dreimal besser als herkömmliche Solar-Wasserstoffzellen.

Die Forscher wollen ihre Zusammenarbeit fortsetzen, um zu prüfen, ob sie das HPEV-Konzept auch für andere Anwendungen, wie die Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes, nutzen können.