FZ Jülich stellt Wirkungsgrad-Rekord für solare Wasserstoff-Erzeugung auf

Jülich - Wasserstoff gilt als möglicher Energieträger der Zukunft. Größte Herausforderung ist dabei die Herstellung von Wasserstoff. Jülicher Forscher haben dafür nun eine Mehrfachsolarzelle aus Silizium entwickelt, die sich kostengünstig produzieren lässt und Wasserstoff nach dem Prinzip der "künstlichen Photosynthese" direkt mit Sonnenlicht erzeugt.

Mit einem Gesamtwirkungsgrad von 9,5 Prozent konnten die Jülicher Wissenschaftler die Effizienz entsprechender Module auf Silizium-Basis deutlich steigern: Der bisherige Rekordwert lag nach Angaben des FZ Jülich bei 7,8 Prozent. Die Ergebnisse wurden kürzlich in einer Fachzeitschrift veröffentlicht. Auch mit anderen Solarzellen-Technologien wird in Deutschland an der "künstlichen Photosynthese" gearbeitet. So haben die Wissenschaftler vom Institut für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) im September mit Tandemsolarzellen aus sogenannten III-V-Halbleitern speziell in diesem Bereich den Wirkungsgrad-Rekord auf 14 Prozent geschraubt. Die direkt Wasserspaltung ist eine Alternative zur Power-to-Gas-Technologie, bei der das gleiche Ziel durch den Einsatz eines Elektrolyseurs verfolgt wird.

Genug Spannung für die Wasserspaltung per Solarzelle notwendig
Bestimmte Solarmodule können auch speicherbaren Wasserstoff erzeugen. Die Solarmodule funktionieren ähnlich wie ein künstliches Blatt: Sie wandeln Sonnenenergie in chemische Energie um, indem sie Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten. Bei der späteren Energiebereitstellung durch die Nutzung von Wasserstoff mittels einer Brennstoffzelle wird lediglich Wasserdampf und kein klimaschädliches Kohlendioxid emittiert. Für den wirtschaftlichen Betrieb müssen die Kosten und der Wirkungsgrad der solaren Wasserstofferzeugung jedoch noch weiter verbessert werden.
Die Jülicher Silizium-Mehrfachstapelsolarzelle ist speziell auf diese photoelektrochemische Wasserspaltung zugeschnitten. „Die besondere Schwierigkeit besteht darin, eine ausreichend hohe Photospannung zu erzeugen. In der Praxis sind etwa 1,6 Volt notwendig, um die Wasserspaltungsreaktion voranzutreiben. Mit gängigen kristallinen Siliziumsolarzellen, deren Photospannung deutlich unter einem Volt liegt, ist das nicht zu schaffen“, erklärt Dr. Jan-Philipp Becker vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-5).

Stapelzellen liefern ausreichend Spannung
Die Solarmodule bestehen dagegen aus drei oder vier übereinander gestapelten Zellen, die ihrerseits aus mehreren Schichten aufgebaut sind. „Durch den mehrlagigen Aufbau lässt sich das Sonnenlicht-Spektrum, das über verschiedene Wellenlängen reicht, effizienter einfangen“, erläutert Félix Urbain. „Gleichzeitig erhöht sich die Spannung auf bis zu 2,8 Volt und bietet damit sogar noch ausreichend Spielraum, um statt teurer Platinkatalysatoren auch weniger edle Metalle wie Nickel als Katalysator einzusetzen“, so der Jülicher Doktorand, der die Module im Rahmen eines von der TU Darmstadt koordinierten DFG-Schwerpunktprogramms SolarH2 entworfen und hergestellt hat.
Silizium-Dünnschichtsolarzellen werden nicht wie kristalline Zellen aus einem Silizium-Wafer gefertigt. Die Schichten werden vielmehr im Vakuum mittels verschiedener Techniken auf ein Glas- oder Kunststoffsubstrat abgeschieden. „Die Dünnschichttechnologie bietet den Vorteil, dass sie mit deutlich weniger Material auskommt als die klassische Wafertechnologie, und sich die Halbleitermaterialien vergleichsweise kostengünstig großflächig aufbringen lassen.“, erklärt Dr. Friedhelm Finger, Leiter der Abteilung "Materialien und Solarzellen" am IEK-5. „Bei der Wasserstoffgewinnung zahlt sich dabei die höhere Spannung der Dünnschichtsolarzelle aus.“

Gesamtwirkungsgrade von über zehn Prozent durchaus machbar
Doch bislang erreichten Silizium-Dünnschichtsolarzellen, die ohne spezielle Hochleistungs-Halbleitermaterialien auskommen, welche sich wiederum nur vergleichsweise kostenaufwendig prozessieren lassen, bei der Wasserstoffgewinnung nur einen Wirkungsgrad von 7,8 Prozent - ein Wert, den der neue Rekord von 9,5 Prozent nun deutlich übersteigt. „Unsere Tests zeigen, dass sich Silizium-Dünnschichtsolarmodule effizient zur Erzeugung von Wasserstoff einsetzen lassen. Gesamtwirkungsgrade von über 10 Prozent erscheinen durchaus machbar“, schätzt Prof. Uwe Rau, Leiter des Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-5). Der nächste Schritt sei nun die Skalierung der Solarzellen auf größere Flächen.