Künstliches Blatt soll Wasserstoff aus Sonnenlicht erzeugen

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Künstliches Blatt soll Wasserstoff aus Sonnenlicht erzeugen

Wasserstoff ist derzeit in Mode. Japan will in wenigen Monaten zu den Olympischen und Paralympischen Sommerspielen in Tokio die Fortschritte demonstrieren, die beim Umbau zur Wasserstoffwirtschaft erzielt worden sind. Die Bundesregierung arbeitet an einer nationalen Wasserstoffstrategie.
Die Idee: Wasserstoff soll als universaler Energieträger in allen möglichen Anwendungen genutzt werden.
Als Treibstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge, im Gasnetz oder in industriellen Anwendungen.
Die Frage ist aber, woher der Wasserstoff kommen soll.
Viele Szenarien gehen davon aus, dass Wasserstoff vor allem durch Elektrolyse mit Windstrom gewonnen wird.
Das gilt insbesondere für Norddeutschland, wo viel Kapazität an Windstrom verfügbar ist.
An einem anderen Verfahren arbeiten indes Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG).
Sie ahmen den Prozess nach, mit dem Pflanzen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten.
Sie arbeiten also an einem künstlichen Blatt.
"Wir stellen photo-elektro-chemisch aktive Oberflächen her, die wir mit künstlichen Sonnen anstrahlen.
An der Halbleiteroberfläche werden dadurch Ladungsträger erzeugt: Elektronen und Lochpaare", erklärt Thomas Klassen vom HZG im Gespräch.
"Die Löcher können Wasser oxidieren. Das heißt, sie nehmen Elektronen auf und spalten dadurch das Wassermolekül.
Es entstehen Sauerstoff als O2 und Wasserstoff als positiv geladenes Ion, also als Proton. Das Elektron wird über einen elektrischen Leiter zur anderen Elektrode abgeleitet. Der Wasserstoff diffundiert durch einen Elektrolyten, nimmt an der anderen Elektrode dann das Elektron wieder auf, und es entsteht Wasserstoff." Der Prozess ähnelt dem, wie er in einer Pflanze abläuft.
Die Pflanze verwertet den Wasserstoff aber weiter: Zusammen mit Kohlendioxid bildet sie daraus langkettige Moleküle wie Zucker, die sie als Nährstoffe zum Wachsen benötigt. Die HZG-Forscher hingegen geben sich mit dem Wasserstoff zufrieden. "Das ist aber schon komplex genug."
Die Photoelektrode wird auf einen Silizium-Wafer aufgebaut. Sie besteht aus mehreren Schichten, darunter lichtabsorbierende Halbleiter wie Titandioxid oder Bismutvanadat. In die Schichten wird ein Rillenmuster geätzt, um den Kontakt zum Elektrolyt zu vergrößern und die Lichtabsorption zu verbessern - sprich: um eine möglichst hohe Effizienz zu erzielen. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung ist bereits deutlich besser als der eines natürlichen Blattes. Der liegt bei unter einem Prozent.
Die künstlichen Blätter schaffen 19 Prozent. "wir sind also schon ziemlich gut", sagt Klassen. Allerdings bezieht sich der genannte Wert auf den Labormaßstab, nämlich auf eine Zelle mit einer Fläche von einem Quadratmillimeter. Beim Hochskalieren treten Probleme auf, die es bei den Zellen im Labormaßstab nicht gibt, die aber die Effizienz senken. "Auf größerem Maßstab wird alles ein bisschen komplexer", sagt Klassen. Die Ladungsträger müssten längere Wege zurücklegen und der innere Widerstand der Zelle müsse berücksichtigt werden."Unsere Spezialität ist nicht, das eigentliche Material zu entwickeln", sagt Klassen. Die Aufgabe, der er und sein Team nachgehen, ist vielmehr, die Zellen, die im Labormaßstab gut funktionieren, zur Serienreife zu bringen.Es kommt auf das Zelldesign an. Unter einem Rasterkraftmikroskop betrachten die Wissenschaftler die Reaktion. So können sie sehen, an welchen Stellen der Zelle die Reaktion besonders gut erfolgt. Das Design können sie dann auf die ganze Fläche übertragen. Zusammen mit Kollegen an der Helmut-Schmidt-Universität in Hamburg haben die Geesthachter ein Verfahren entwickelt, um kostengünstig auch große Flächen der Zellen zu beschichten. Derzeit erreichen die großen Zellen etwa die Hälfte der Effizienz der Laborzellen. "Da ist noch ein bisschen Luft", sagt Klassen. "Ich denke, wenn wir das analysiert und verstanden haben und gezielt die richtigen Bedingungen einstellen, dann können wir auch noch deutlich weiter kommen als bisher." Mit dem richtigen Zelldesign werde es möglich sein, die Werte aus dem Labor auch im großen Maßstab zu erreichen, ist Klassen überzeugt.Denn es geht nicht um die Effizienz allein. Auch die Haltbarkeit der künstlichen Blätter ist noch nicht so, dass sie serienreif sind. Zwar belastet die Sonneneinstrahlung auch die natürlichen Blätter. Doch die können sich erneuern - im Gegensatz zu den künstlichen.
Das Problem: Das Erzeugen eines elektrischen Potenzials durch Sonnenlicht begünstigt auch andere Reaktionen, etwa dass der Photokatalysator korrodiert, was sich wiederum negativ auf die Haltbarkeit auswirkt. Das derzeit beste verfügbare Material - das mit dem Wirkungsgrad von 19 Prozent - verliert schon nach einigen Wochen an Effizienz. "Das ist natürlich nicht zu tolerieren", sagt Klassen. "Wir brauchen schon Zellen, die Jahre durchhalten."
Die Forscher müssen sich also auch darum kümmern, dass die Effizienz über einen längeren Zeitraum hoch bleibt. Eine Möglichkeit könnte sein, den Fotokatalysator mit einer Schutzschicht zu überziehen. Sie muss Sonnenlicht durchlassen und die photo-elektro-chemische Wasserspaltung ermöglichen, soll aber gleichzeitig die Oxidation verhindern. Getestet wird gerade Titandioxid, das auch Bestandteil von weißer Wandfarbe oder Sonnencremes ist.
Auch hier gilt jedoch, dass ein Erfolg im Labor sich nicht ohne weiteres skalieren lässt. Bis künstliche Blätter technisch einsetzbar sein werden, braucht es also noch Entwicklungszeit, wobei "technisch einsetzbar" heißt: in einer größeren Demonstratoranlage, die über einen längeren Zeitraum Wasserstoff produziert. In etwa zehn Jahren, also gegen Ende der 2020er Jahre werde eine solche Anlage zur Verfügung stehen, schätzt Klassen. Ob die Technik dann serienreif wird, hängt davon ab, ob sich Unternehmen finden, die solche Anlagen auch bauen wollen.

Quelle:golem.de





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