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Solarzelle leistet doppelte Dienste für erneuerbare Energien

Künstliches Photosynthesesystem erzeugt gleichzeitig Wasserstoff und Strom

31.10.2018

Berkeley Lab, JCAP

Die zusätzliche Rückseite der HPEV-Zelle ermöglicht es, den Strom in zwei Teile zu teilen, so dass ein Teil des Stroms zur Erzeugung von Solarbrennstoffen beiträgt und der Rest als elektrischer Strom gewonnen werden kann.

Auf der Suche nach reichlich vorhandenen, erneuerbaren Alternativen zu fossilen Brennstoffen haben Wissenschaftler versucht, die Energie der Sonne durch "Wasserspaltung" zu gewinnen, eine künstliche Photosynthesemethode, die Sonnenlicht nutzt, um Wasserstoff aus Wasser zu erzeugen. Doch Wasserspaltgeräte müssen noch ihr Potenzial ausschöpfen, denn es gibt immer noch kein Design für Materialien mit der richtigen Mischung aus optischen, elektronischen und chemischen Eigenschaften, die für ein effizientes Arbeiten erforderlich sind.

Jetzt haben Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums und des Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), einem DOE Energy Innovation Hub, ein neues Rezept für erneuerbare Kraftstoffe entwickelt, das die Einschränkungen der heutigen Materialien umgehen könnte: ein künstliches Photosynthesegerät namens "hybride photoelektrochemische und Voltaik(HPEV)-Zelle", das Sonnenlicht und Wasser in nicht nur eine, sondern zwei Arten von Energie verwandelt - Wasserstoff und Strom.

Einen Ausweg für Elektronen finden

Die meisten Wasserspaltgeräte bestehen aus einem Stapel lichtabsorbierender Materialien. Je nach Zusammensetzung absorbiert jede Schicht verschiedene Teile oder "Wellenlängen" des Sonnenspektrums, die von weniger energetischen Wellenlängen des Infrarotlichts bis zu mehr energetischen Wellenlängen des sichtbaren oder ultravioletten Lichts reichen.

Wenn jede Schicht Licht absorbiert, baut sie eine elektrische Spannung auf. Diese einzelnen Spannungen vereinen sich zu einer Spannung, die groß genug ist, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Doch laut Gideon Segev, Postdoc bei JCAP in der Chemical Sciences Division des Berkeley Lab und Hauptautor der Studie, besteht das Problem dieser Konfiguration darin, dass Silizium-Solarzellen zwar sehr nahe an ihrer Grenze Strom erzeugen können, ihr Leistungspotenzial aber beeinträchtigt wird, wenn sie Teil eines wasserspaltenden Gerätes sind.

Der Strom, der durch das Gerät fließt, wird durch andere Materialien im Stapel begrenzt, die nicht so gut funktionieren wie Silizium, und als Ergebnis produziert das System viel weniger Strom als es könnte - und je weniger Strom es erzeugt, desto weniger Solarbrennstoff kann es produzieren.

"Es ist, als würde man ein Auto immer im ersten Gang fahren", sagte Segev. "Das ist Energie, die man ernten könnte, aber weil Silizium nicht an seinem maximalen Leistungspunkt wirkt, können die meisten der angeregten Elektronen im Silizium nirgendwo hingehen, also verlieren sie ihre Energie, bevor sie für nützliche Arbeiten genutzt werden."

Aus dem ersten Gang herauskommen

So schlugen Segev und seine Co-Autoren - Jeffrey W. Beeman, ein JCAP-Forscher in der Chemical Sciences Division von Berkeley Lab, und die ehemaligen Berkeley Lab- und JCAP-Forscher Jeffery Greenblatt, der heute die in der Bay Area ansässige Technologieberatung Emerging Futures LLC leitet, und Ian Sharp, heute Professor für experimentelle Halbleiterphysik an der Technischen Universität München, eine überraschend einfache Lösung für ein komplexes Problem vor.

"Wir dachten: "Was wäre, wenn wir die Elektronen einfach rauslassen?", sagte Segev.

Bei wasserspaltenden Geräten ist die Vorderfläche in der Regel für die Herstellung von Solarbrennstoffen vorgesehen, und die Rückseite dient als Steckdose. Um die Einschränkungen des konventionellen Systems zu umgehen, fügten sie der Rückseite der Siliziumkomponente einen zusätzlichen elektrischen Kontakt hinzu, was zu einem HPEV-Gerät mit zwei statt nur einem Kontakt auf der Rückseite führte. Die zusätzliche Rückdose würde es ermöglichen, den Strom in zwei Teile zu teilen, so dass ein Teil des Stroms zur Erzeugung von Solarbrennstoffen beiträgt und der Rest als elektrische Energie gewonnen werden kann.
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Nachdem sie eine Simulation durchgeführt hatten, um vorherzusagen, ob die HPEC wie geplant funktionieren würde, stellten sie einen Prototyp her, um ihre Theorie zu testen. "Und zu unserer Überraschung hat es funktioniert!" sagte Segev. "In der Wissenschaft ist man sich nie ganz sicher, ob alles funktioniert, auch wenn Ihre Computersimulationen das sagen. Aber das macht es auch lustig. Es war schön zu sehen, dass unsere Experimente die Vorhersagen unserer Simulationen bestätigen."

Nach ihren Berechnungen würde ein herkömmlicher solarer Wasserstoffgenerator, der auf einer Kombination aus Silizium und Wismutvanadat basiert, einem Material, das weithin für die solare Wasserspaltung untersucht wird, Wasserstoff bei einem Wirkungsgrad von 6,8 Prozent erzeugen. Mit anderen Worten, von der gesamten einfallenden Sonnenenergie, die auf die Oberfläche einer Zelle trifft, werden 6,8 Prozent in Form von Wasserstoff als Brennstoff gespeichert, und der Rest geht verloren.

Im Gegensatz dazu sammeln die HPEV-Zellen überschüssige Elektronen, die nicht zur Kraftstofferzeugung beitragen. Diese Restelektronen werden stattdessen zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet, was zu einer drastischen Steigerung des Gesamtwirkungsgrades der Solarenergie führt, sagte Segev. So können beispielsweise nach den gleichen Berechnungen die gleichen 6,8 Prozent der Sonnenenergie als Wasserstoffkraftstoff in einer HPEV-Zelle aus Wismutvanadat und Silizium gespeichert und weitere 13,4 Prozent der Sonnenenergie in Strom umgewandelt werden. Dies ermöglicht einen Gesamtwirkungsgrad von 20,2 Prozent, dreimal besser als herkömmliche Solar-Wasserstoffzellen.

Die Forscher wollen ihre Zusammenarbeit fortsetzen, um zu prüfen, ob sie das HPEV-Konzept auch für andere Anwendungen wie die Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes nutzen können. "Dies war wirklich eine Gruppenarbeit, bei der Menschen mit viel Erfahrung dazu beitragen konnten", fügte Segev hinzu. "Nach anderthalb Jahren, in denen wir an einem ziemlich mühsamen Prozess gearbeitet haben, war es schön zu sehen, dass unsere Experimente endlich zusammenkommen."

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