Forschung: So wirksam wurde Wasserstoff noch nie hergestellt

Forschung: So wirksam wurde Wasserstoff noch nie hergestellt

von Wolfgang Kempkens

Wasserstoff ist nur grün, wenn er mit Hilfe von erneuerbarer Energie gewonnen wird. Eine Solarzelle kann das Element nun wirksamer als je zuvor herstellen.

Wasserstoff könnte eine große Zukunft als grüner Energieträger haben, beispielsweise als Brennstoffzelle. Umweltverträglich ist das Element allerdings nur, wenn es mit Strom aus umweltneutralen Quellen hergestellt wird, also vor allem mit Wind- und Solarstrom.

Dazu gibt es drei Techniken: Wasser lässt sich entweder direkt durch hochkonzentrierte Solarenergie spalten oder durch einen Hydrolyseur, der mit Solar- oder Windstrom betrieben wird. Die dritte Möglichkeit ist die attraktivste: Eine Solarzelle, die ohne Umwege Wasserstoff produziert.

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Wasser lässt sich erst ab 1,6 Volt spaltenBisher lag der maximal erreichbare Wirkungsgrad bei 7,8 Prozent. Wissenschaftler am Forschungszentrum Jülich haben jetzt eine Zelle entwickelt, die mit 9,5 Prozent deutlich darüber liegt.

Es handelt sich um eine Silizium-Mehrfachstapelsolarzelle. Darunter versteht man praktisch mehrere Dünnschicht-Solarzellen, die hintereinander geschaltet sind, um die notwendige Spannung von 1,6 Volt zu erreichen. Erst ab dieser Marke lässt sich Wasser in Wasser- und Sauerstoff aufspalten. In der Praxis schaffen die Jülicher sogar 2,8 Volt.

„Durch den mehrlagigen Aufbau lässt sich das Sonnenlicht-Spektrum, das über verschiedene Wellenlängen reicht, effizienter einfangen“, sagt Félix Urbain, ein Doktorand, der an der Entwicklung beteiligt ist. In den Katalysatoren befindet sich – auch eine Innovation – billiges Nickel statt teuren Platins.

Dünnschicht-Solarzellen brauchen weniger MaterialDie Jülicher Zelle enthält zwei Schichten aus amorphem und eine Schicht aus kristallinem Silizium. Auf der einen Seite ist sie mit Glas abgedeckt, auf der anderen mit einer Katalysatorschicht, die die Kathode – den negativen Pol einer Elektrode – bildet. In geringem Abstand befindet sich eine zweite Katalysatorschicht, die Anode. Ein Elektrolyt, der im Wesentlichen aus Wasser besteht, fließt kontinuierlich durch den dünnen Spalt zwischen Anode und Kathode.

An der Kathode bildet sich Wasserstoff, der eingefangen wird, an der Anode Sauerstoff, der in die Atmosphäre entlassen wird. Wichtig ist, dass Sauerstoff und Wasserstoff streng voneinander getrennt bleiben. Miteinander vermischt entsteht Knallgas, das genau das tut, worauf der Name hindeutet: Es explodiert schon beim kleinsten Funken.

Die rund zehn hauchdünnen Schichten aus Silizium, die Sonnenlicht in Strom umwandeln, und anderen unterschiedlichen Werkstoffen werden im Vakuum auf einer Unterlage abgeschieden, in diesem Fall auf Glas.

Nicht nur eine gute Nachricht für Elektroautos„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“, sagt Friedhelm Finger, Leiter der Abteilung „Materialien und Solarzellen“ des Instituts für Energie- und Klimaforschung. „Gesamtwirkungsgrade von über zehn Prozent erscheinen durchaus machbar“, schätzt Professor Uwe Rau, der Leiter des Instituts.

In der Praxis würden Hunderte oder gar Tausende dieser Zellen zusammengeschaltet, um ausreichende Mengen an Wasserstoff erzeugen zu können. Der lässt sich nicht nur nutzen, um Elektroautos mit Brennstoffzellen zu versorgen, sondern auch zum Heizen, Kochen und zur Warmwasserbereitung. In einer stationären Brennstoffzelle könnte der Wasserstoff Strom für Beleuchtung, Fernseher, Kühlschrank und andere häusliche Verbraucher produzieren. Bislang ist allerdings nicht klar, ob die Zelle auch in Serie produziert werden kann.

 

 

 

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