Forscher können Wasserstoff mit Sonnenenergie gewinnen

Neue Solarzelle mit häufig in der Natur vorkommenden Stoffen

Lausanne. Im Rennen um die Optimierung von Solartechnologie ist Forschern ein weiterer Schritt gelungen. Seinen effizienten und kostengünstigen Weg, Wasserstoff mit Sonnenenergie aus Wasser zu gewinnen, stellt das internationale Team im Fachmagazin „Science“ vor. Mit einer Effizienz von 12,3 Prozent konnte demnach Sonnenenergie mit sogenannter Perowskit-Solarzellentechnik in Wasserstoff überführt werden.

Wasserstoff gilt wegen seiner hohen Energiedichte als wichtiger Energieträger der Zukunft. Für die neue Solarzelle wurden mit dem Mineral Perowskit sowie Nickel und Eisen Stoffe verwendet, die in der Natur reichlich vorhanden sind, erläutern die Forscher um Michael Grätzel von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL).

Grätzel ist bekannt für die nach ihm benannte Grätzel-Zell“, eine Alternative zu den Standardsolarzellen auf der Basis von Silizium. Die Grätzel-Zelle nimmt die Sonnenenergie mithilfe natürlicher Farbstoffe auf, orientiert sich also an der Fotosynthese der Pflanzen. Bisher kamen dabei oft seltene Elemente zum Einsatz – die hohe Kosten verursachen können.

Die Forscher kombinierten nun zwei Perowskit-Solarzellen so miteinander, dass sie zusammen genügend Spannung für die Wasseraufspaltung (mindestens 1,23 Volt) liefern. Die Aufspaltung erfolgt in zwei Reaktionen, eine für die Entwicklung des Wasserstoff-Gases, eine für die Entwicklung des Sauerstoff-Gases.

Die Forscher hatten gezielt geeignete Katalysatoren aus reichlich auf der Erde vorhandenen Stoffen gesucht. Das sei schwierig gewesen, schreiben die Wissenschaftler, zumal die Elektrolytflüssigkeit zwischen den Elektroden entweder eine starke Säure oder eine starke Base sein sollte.

Grätzel und Kollegen entschieden sich aus Kostengründen für einen Katalysator für beide Reaktionen: ein mit Eisen versetztes Nickel(II)-hydroxid. Zusammen mit Nickelschaum bildet es den äußeren Teil der Elektroden, an dem die Wasseraufspaltung stattfindet.

Forscher wollen die Effizienz der neuen Technologie weiter steigern

Beim Test wurde der wasserspaltende Fotostrom mit der Zeit geringer. Doch nach einer Pause – im Betrieb könnte dies die Nacht sein – kehrte die volle Leistungsstärke zurück. Warum die Perowskit-Solarzelle dieses Merkmal zeigt, verstehen die Forscher derzeit noch nicht.

„Obwohl die genannte Wasserspaltungseffizienz von zwölf Prozent schon außergewöhnlich ist, gibt es mehrere Wege zu einer Verbesserung“, schreibt Thomas Hamann von der Michigan State University in East Lansing in Michigan/USA in einem „Science“-Kommentar.

Die Effizienz könne auf bis zu 20 Prozent steigen, wenn Perowskit-Solarzellen mit einem Halbleiter wie Silizium kombiniert würden. Auch die Reaktion zur Entwicklung des Wasserstoffs könne mit einem geeigneteren Katalysator verbessert werden, so Hamann. Es werde aufregend sein, herauszufinden, ob die Perowskit-Zelle die fossilen Brennstoffe aus dem Rennen um die Energiezukunft werfen könne.