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StartseiteForschung aktuellWasserstoff statt Strom13.04.2011

Wasserstoff statt Strom

Neuartige Solarzellen nutzen das Sonnenlicht, um Wasser zu spalten

Solaranlagen auf dem Hausdach sind eine großartige Sache, doch wohin mit dem Strom, wenn man ihn nicht direkt braucht? Wissenschaftler versuchen, Sonnenenergie zur Herstellung von Wasserstoff zu nutzen, einem Energieträger, den man gut speichern und transportieren kann.

Von Jan Lublinski

Arbeiter mit Solarpanel (AP)
Arbeiter mit Solarpanel (AP)

Zumindest auf den ersten Blick ist es ein klassischer Versuchsaufbau, mit dem der Chemiker Peter Bogdanoff in seinem Labor am Helmholz-Zentrum in Berlin arbeitet, Schulchemie, Unterrichtseinheit: Elektrolyse. Ein elektrischer Strom bewirkt einen chemischen Prozess in einer Flüssigkeit.

Dazu ein Glaskolben mit verschiedenen Kammern sowie Kabel und Stäbchen aus Metall - die sogenannten Elektroden.

"Sieht aus wie Wasser, ist aber verdünnte Schwefelsäure. Dann müssen die Elektroden, die man für die Elektrochemie braucht, reinkommen. Hier ist eine Referenzelektrode, dann kommt noch ein Platindraht rein, das ist die Counter-Elektrode, und dann noch die Elektrode, die man untersuchen möchte. Die Arbeitselektrode."

Die Arbeitselektrode aber hat es in sich: Sie enthält eine Solarzelle und darüber eine sehr dünne Schicht aus einem speziellen nanostrukturierten Material. Dieses Material nutzt den von der Solarzelle erzeugten Strom dazu, Wasserstoff im Elektrolyten zu produzieren. Das heißt, diese Spezialelektrode kann die Energie der Sonne in ein Gas verwandeln, das sich über lange Zeit speichern lässt. Photoelektrolyse nennt sich das Verfahren - die Kombination aus Photovoltaik und Elektrolyse.

Peter Bogdanoff prüft diese neue Form der Energieumwandlung nun nicht direkt an der Sonne. Er nutzt vielmehr eine Lampe, die sehr gleichmäßig brennt - und die sich in einem schwarzen Kasten befindet.

"Und dann gibt es noch diesen Shutter, der mir das Licht an und ausmacht, in regelmäßigen Abständen. Und dann kann ich letztendlich in dem Stromsignal sehen, wie der Strom immer ansteigt, abfällt, ansteigt, abfällt. Das kann man dann schneller machen, denn diese Photoeffekte sind, wenn sie funktionieren auch sehr schnell. Und gerade aus der Information, wie schnell sie dem Lichtsignal folgen können, kann man auf die Qualität der Elektroden schließen."

Mit derartigen Experimenten haben die Wissenschaftler am Institut für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien am Helmholz-Zentrum in Berlin unlängst einen fast 30 Jahre alten Rekord gebrochen: Sie konnten 14 Prozent der eingestrahlten Lichtenergie in Wasserstoff umwandeln - dank des speziellen Materials in der Elektrode. Sebastian Fiechter:

"Das ist eine Indiumphosphid-Schicht, die eine hohe Leitfähigkeit zeigt und sehr dünn ist, wenige zehn Nanometer dick, dann ein Katalysator aus einem Edelmetall. Feine Teilchen eines Katalysators aus Edelmetall. Hier ist der Anspruch, wenn schon ein teures Material zu nehmen, dann eben sehr, sehr wenig: sehr kleine, sehr feine Teilchen. Die Kunst ist eben auch, die klein zu halten und gut zu verteilen."

Nur drei Nanometer klein sind die winzigen Katalysatorpartikel aus Rhodium. Außerdem sind in der speziellen Indiumphosphid-Schicht einzelne Zinkatome verteilt.
Als Nächstes wollen die Berliner Forscher mehrere solcher hauchdünner Spezialschichten übereinanderlegen - und so noch weitere%e Wirkungsgrad aus ihrem Photoelektrolyse-Experiment herauskitzeln.

Ihr Ziel: deutlich effizienter zu werden als das klassische, zweistufige Verfahren. Dieses besteht darin, zunächst mit einer Solarzelle Strom aus Sonnenlicht zu erzeugen, und dann, in einem zweiten Schritt, den Strom dazu zu nutzen, um per Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen. Ein ziemlich umständliches und ineffizientes Verfahren: Schließt man zum Beispiel an eine gewöhnliche Siliziumsolarzelle mit 15 Prozent Wirkungsgrad noch einen guten Elektrolyseur mit 70 Prozent Wirkungsgrad an - so kommt am Ende nur wenig heraus: 15 Prozent multipliziert mit 0,7 ergibt: 11 Prozent.

Es gibt also guten Grund zu der Hoffnung, dass die integrierten Elektrolyse-Solarzellen irgendwann den Weg aus der Grundlagenforschung in den Alltag finden werden. Dass es irgendwann Solarpanele auf den Dächern geben wird, die statt Strom gezielt Wasserstoff produzieren.

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