US-Forscher: Neuartige Solarzelle liefert gleichermaßen Strom und Wasserstoff

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Wer mit Sonnenenergie Wasserstoff erzeugen will, muss bislang einen großen Umweg gehen – über Solarzellen, die Strom erzeugen, mit dem per Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Das ist nicht sehr effizient. Überall auf der Welt arbeiten Forscher daher an Verfahren, die Solarenergie direkt für die Produktion von Wasserstoff zu nutzen. Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums und des Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) melden nun einen Durchbruch auf diesem Feld: Sie haben  eine neuartige Solarzelle entwickelt, die gleichermaßen Strom und Wasserstoff liefert. Ihr Konzept haben sie jetzt im Fachmagazin Nature Materials vorgestellt.

Die große Herausforderung bei der direkten Produktion von Wasserstoff mittels Solarzellen liegt darin, die erzeugbare elektrische Spannung auch tatsächlich für die Spaltung der Wassermoleküle nutzbar zu machen. Denn andere Materialien in einer solchen Zelle limitieren deren Potenzial – die angeregten Elektronen im Silizium verlieren ihre Energie, bevor sie ihre Aufgabe verrichten können. JCAP-Forscher Gideon Segev vergleicht das mit einem Auto, das nur im ersten Gang fahren kann.

Die Lösung der Forschergruppe für dieses Problem: Sie haben auf der Rückseite einen zusätzlichen elektronischen Kontakt installiert. Damit wird der Strom quasi zweigeteilt – ein Teil dient der Spaltung der Wassermoleküle, der andere der Erzeugung elektrischer Energie. Mit einem Prototyp haben die Wissenschaftler eigenen Angaben zufolge im Labor bewiesen, dass dieses Konzept im Grundsatz funktioniert. Nun arbeiten sie an der Weiterentwicklung.

Laut der Forschergruppe erreichen konventionelle Solar-Wasserstoff-Zellen auf Basis von Silizium und Bismutvanadat im Labor heute einen Wirkungsgrad von 6,8 Prozent. Das bedeutet: Insgesamt 6,8 Prozent der einfallenden Sonnenenergie wird im produzierten Wasserstoff gespeichert, der Rest der Energie geht verloren. In den Zellen der US-Wissenschaftler würden dagegen zusätzlich 13,4 Prozent der Solarenergie in Strom umgewandelt. Somit läge deren kumulierter Wirkungsgrad bei 20,2 Prozent.