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Wismut-Vanadat vereinfacht solare Wasserstoffproduktion

Wismut-Vanadat vereinfacht solare Wasserstoffproduktion - hier: Schematische Darstellung der solaren Wasserstoffproduktion (Grafik: TU Delft)

Wismut-Vanadat vereinfacht solare Wasserstoffproduktion - hier: Schematische Darstellung der solaren Wasserstoffproduktion (Grafik: TU Delft)

Mit Hilfe einer einfach aufgebauten Solarzelle und einer Photo-Anode aus Metalloxid konnten Forscher des Instituts für Solare Brennstoffe im Helmholtz-Zentrum Berlin und der Technischen Universität Delft fast fünf Prozent der eingefangenen Solarenergie in Wasserstoff umwandeln. Die Photo-Anode aus dem Metalloxid Wismut-Vanadat versetzt mit zusätzlichen Wolfram-Atomen wurde einfach aufgesprüht und mit einem preisgünstigen Kobalt-Phosphat Katalysator beschichtet. Die so entwickelte Solarzelle ist nicht nur leistungsfähiger, sondern auch deutlich einfacher aufgebaut als die sonst eingesetzten "triple junctions" Hochleistungs-Solarzellen.

Wirkungsgrade bis zu neun Prozent möglich

Bei dieser verhältnismäßig einfachen Silizium-Dünnschichtzelle kommt nur die Schicht aus Metalloxid in Kontakt mit dem Wasser und fungiert so als Photo-Anode für die Bildung von Sauerstoff. Laut den Forschern müssten mit einer Photo-Anode aus Wismut-Vanadat theoretisch sogar Wirkungsgrade bis zu neun Prozent erreichbar sein. Zudem konnte mit Hilfe eines preiswerten Kobalt-Phosphat-Katalysators die Bildung von Sauerstoff an der Photo-Anode deutlich beschleunigt werden.

Wolfram-Atome verhindern Rekombination

Die größte Herausforderung war es jedoch, in der Wismut-Vanadat-Schicht die Ladungen effizient zu trennen. Denn Metalloxide sind zwar stabil und billig, aber die Ladungsträger neigen dazu, rasch wieder zusammenzufinden, also zu rekombinieren. Damit gehen sie für die Wasserspaltung verloren. Dieses Problem konnte durch den Einbau und die optimale Verteilung zusätzlicher Wolfram-Atome in die Wismut-Vanadat-Schicht gelöst werden. So kann ein internes elektrisches Feld erzeugt werden, das die Rekombination verhindert.

Solarer Wasserstoff auf dem Weg zur Marktreife

Auf dem Weg zur Marktreife wollen die Forscher die Solarzelle auf Quadratmetergröße hochskalieren, um relevante Mengen an Wasserstoff zu erzeugen. Gelingt dies, so könnten mit 100 Quadratmetern solcher Solarzellen bei einer Solarenergie von rund 600 Watt pro Quadratmeter in Deutschland in einer einzigen sonnigen Stunde schon 3 Kilowattstunden Energie in Form von Wasserstoff gewonnen und gespeichert werden. Diese Energie würde dann nachts oder an bewölkten Tagen zur Verfügung stehen.

Großes Zukunftspotenzial solarer Brennstoffe

Die direkte Erzeugung von Brennstoffen aus Sonnenlicht gehört zu den herausragenden Herausforderungen für eine nachhaltige Energietechnologie basierend auf regenerativen Primärenergieträgern. Mit einem derartigen Ansatz wären sowohl das inhärente Speicherproblem elektrischer Energie, verbunden mit der diskontinuierlichen Verfügbarkeit des Sonnenlichts, als auch die Sicherstellung mobiler Anwendungen (z. B. Luftverkehr) gewährleistet.

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"Wismut-Vanadat vereinfacht solare Wasserstoffproduktion" wurde am 31.07.2013 verfasst