Künstliche Photosynthese Photoelektrochemische Wasserspaltung wandelt Sonnenenergie in Wasserstoff

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben zum ersten Mal ein komplettes und kompaktes Design einer Anlage für künstliche Photosynthese entwickelt. Ein wichtiger Schritt hin zu effizienten Speichertechnologien.

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Jülich – Mit der direkten photoelektrochemischen Wasserspaltung lässt sich die Energie der Sonne direkt in das Speichermedium Wasserstoff umwandeln. Die Solarzellenforscher Jan-Philipp Becker und Bugra Turan vom Forschungszentrum Jülich haben nun ein Design für die künstliche Photosynthese entwickelt. Es unterscheidet sich von den üblichen Laborexperimenten. Statt fingernagelgroßer einzelner Komponenten, die untereinander mit Drähten verbunden sind, entwickelten sie ein kompaktes, in sich geschlossenes System – komplett aus kostengünstigen, leicht verfügbaren Materialien.

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Mit einer Fläche von 64 Quadratzentimetern wirkt ihr Bauelement noch immer relativ klein. Der Trick ist jedoch das flexible Design: Durch die ständige Wiederholung der Basiseinheit lassen sich künftig auch quadratmetergroße Systeme herstellen. Die Basiseinheit wiederum besteht aus mehreren Solarzellen, die durch eine spezielle Lasertechnik miteinander verschaltet sind. "Durch diese Serienverschaltung erreicht jede Einheit die für die Wasserstoffgewinnung nötige Spannung von 1,8 Volt", so Jan-Philipp Becker. "Im Gegensatz zu den bislang in Laborexperimenten üblichen Konzepten zur Aufskalierung erlaubt diese Methode eine höhere Effizienz."

System muss noch effiienter werden

Im Moment liegt die Sonne-zu-Wasserstoff-Effizienz des Prototyps bei 3,9 Prozent. "Das klingt nicht nach viel", gibt Bugra Turan zu. "Doch das ist natürlich nur ein erster Entwurf einer vollständigen Anlage. Da ist noch mehr drin." Und – geben die Wissenschaftler zu bedenken – natürliche Photosynthese erreicht nur Wirkungsgrade um ein Prozent. Auf bis ungefähr zehn Prozent könnte man mit dem Jülicher Design in relativ kurzer Zeit und unter Verwendung bekannter Solarzellenmaterialien kommen, so Jan-Philipp Becker. Aber es gibt auch andere Ansätze. Zum Beispiel Perowskit, ein neuartiges Hybridmaterial, mit dem man jetzt schon Wirkungsgrade bis zu 14 Prozent erreichen könnte.

"Das ist einer der großen Pluspunkte des neuen Designs. Es erlaubt die unabhängige Optimierung der beiden Hauptkomponenten: des photovoltaischen Teils, der Strom aus Sonnenergie gewinnt, und des elektrochemischen Teils, der diesen Strom zur Wasserspaltung einsetzt." Das patentierte Konzept der Jülicher Forscher ist flexibel: Es ist für jede Dünnschicht-Photovoltaik-Technologie anwendbar und für verschiedene Elektrolysearten. "Wir arbeiten zum ersten Mal in Richtung Markteinführung", erklärt Becker. "Wir haben die Grundlagen dafür geschaffen, wie das überhaupt aussehen könnte." Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der Fachzeitschrift Nature Communicationsveröffentlicht (DOI: 10.1038/NCOMMS12681).