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Solarenergie: Billig-Zelle verwandelt Licht in Wasserstoff

Solarstrom ist nur tagsüber verfügbar und lässt sich kaum speichern. Die künstliche Photosynthese könnte beide Probleme lösen. Ein Prototyp, der Sonnenlicht in Wasserstoff umwandelt, weckt Hoffnungen auf eine baldige Umsetzung.


Lausanne - Pflanzen können problemlos die Energie der Sonne speichern: Bei der Photosynthese nutzen sie Licht, um energiereiche Verbindungen herzustellen. Sie erreichen dabei allerdings nur eine Effizienz von rund einem Prozent. Schon lange versuchen Wissenschaftler sich deshalb an der künstlichen Photosynthese und der Herstellung von Zellen, die mit Sonnenenergie Wasserstoff produzieren.

Die Entwicklung solcher Photosynthese-Zellen ist jetzt einen wichtigen Schritt vorangekommen. Im Fachmagazin "Science" berichtet ein internationales Forscherteam jetzt über einen zugleich effizienten und kostengünstigen Weg, Wasserstoff mithilfe von Sonnenenergie aus Wasser zu gewinnen. Die sogenannte Perowskit-Solarzellentechnik habe eine Effizienz von 12,3 Prozent erreicht.

Wasserstoff gilt wegen seiner hohen Energiedichte als wichtiger Energieträger der Zukunft. Eine möglichst effiziente Gewinnung von Wasserstoff durch Sonnenlicht würde das Hauptproblem der Solarenergie lösen: Sie ist nur tagsüber verfügbar und lässt sich schwierig speichern. Wasserstoff hingegen könnte in großen Tanks gelagert werden.

Die Kombination herkömmlicher Solarzellen mit einer Elektrolyse-Anlage, die Wasser mit elektrischer Energie in Sauerstoff und Wasserstoff trennt, wäre zwar möglich, gilt aber als zu teuer. Mehr versprechen Ansätze, bei denen Solarzelle und Elektrolyse quasi in einem Bauteil vereint sind - so wie beim nun in "Science" beschriebenen Verfahren.


Katalysatoren machen neue Zelle möglich

Für die neue Solarzelle wurden das Mineral Perowskit sowie Nickel und Eisen verwendet - Stoffe also, die in der Natur reichlich vorhanden sind, erläutern die Forscher um Michael Grätzel von der Föderalen Polytechnischen Hochschule im schweizerischen Lausanne.

Grätzel ist bekannt für die nach ihm benannte Zelle, eine Alternative zu den Standardsolarzellen auf der Basis von Silizium. Die Grätzel-Zelle nimmt die Sonnenenergie mithilfe natürlicher Farbstoffe auf, orientiert sich also an der Photosynthese der Pflanzen. Bisher kamen dabei oft seltene Elemente zum Einsatz, die hohe Kosten verursachen können.

Die Forscher haben nun zwei Perowskit-Solarzellen so miteinander kombiniert, dass sie zusammen genügend Spannung für die Wasseraufspaltung (mindestens 1,23 Volt) liefern. Sie erfolgt in zwei Reaktionen, eine für die Entwicklung des Wasserstoff-Gases und eine für die des Sauerstoff-Gases.

Die Forscher hatten gezielt nach geeigneten Katalysatoren aus reichlich auf der Erde vorhandenen Stoffen gesucht. Das sei schwierig gewesen, schreiben die Wissenschaftler, zumal die Elektrolyt-Flüssigkeit zwischen den Elektroden entweder eine starke Säure oder eine starke Base sein sollte. Grätzel und seine Kollegen entschieden sich aus Kostengründen für einen Katalysator für beide Reaktionen: ein mit Eisen versetztes Nickel(II)-hydroxid. Zusammen mit Nickelschaum bildet es den äußeren Teil der Elektroden, an dem die Wasseraufspaltung stattfindet.


Effizienz könnte auf 20 Prozent steigen

Beim Test wurde der wasserspaltende Fotostrom mit der Zeit geringer. Doch nach einer Pause - im Betrieb könnte dies die Nacht sein - kehrte die volle Leistungsstärke zurück. Warum die Perowskit-Solarzelle dieses Verhalten zeigt, verstehen die Forscher derzeit noch nicht.

"Obwohl die genannte Wasserspaltungseffizienz von zwölf Prozent schon außergewöhnlich ist, gibt es mehrere Wege zu einer Verbesserung", schreibt Thomas Hamann von der Michigan State University in East Lansing in einem "Science"-Kommentar.

Die Effizienz könne auf bis zu 20 Prozent steigen, wenn Perowskit-Solarzellen mit einem Halbleiter wie Silizium kombiniert würden. Auch die Reaktion zur Entwicklung des Wasserstoffs könne mit einem geeigneteren Katalysator verbessert werden, so Hamann. Es werde aufregend sein, herauszufinden, ob die Perowskit-Zelle die fossilen Brennstoffe aus dem Rennen um die Energiezukunft werfen könne.

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Es wird immer interessanter was wir Menschen in dieser Zeit so erfinden. In Verbindung mit geeigneten Energiespeicher könnten viele Umweltprobleme gelöst werden.

[Destiny]

Irgendwann wird es kein Benzin etc mehr geben. Wird Zeit.