Beheizter Versuchsreaktor an der TU Wien.
In der photochemischen Zelle erzeugt Licht freie Ladungsträger, Sauerstoff (blau) wird durch die Membran gepumpt.
Wien – Herkömmliche Solarzellen wandeln Sonnenenergie in elektrische Energie um. Mit einem neuen Ansatz wollen Forscher der Technischen Universität Wien Zellen entwickeln, die – ähnlich wie Pflanzen – die Energie des Lichts chemisch speichern. Dabei ist ihnen nun ein wichtiger Schritt hin zur Realisierung solcher photochemischer Solarzellen gelungen, wie sie aktuell im Fachjournal "Advanced Functional Materials" berichten.
Solarenergie gilt als einer der größten Hoffnungsträger auf dem Weg zu einer nachhaltigen und sauberen Energieversorgung. Während die Effizienz, mit der Solarzellen das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, schrittweise verbessert wird, wählte die Forschergruppe um Georg Brunauer vom Institut für Energietechnik und Thermodynamik der TU Wien einen anderen Zugang: Sie wollen die Energie des Lichtes speichern, indem sie genutzt wird, um Wassermoleküle in ihre chemischen Bestandteile aufzuspalten – und das in einer einzigen, kompakten Zelle.
Richtungsweisender Prototyp
Der nun präsentierte Prototyp besteht im Wesentlichen aus zwei Schichten: einer oberen, photovoltaischen Schicht, die die elektrische Spannung erzeugt, und einer darunterliegenden Schicht, in der künftig die chemischen Prozesse ablaufen sollen. "Zurzeit reicht die erzeugte Spannung noch nicht ganz aus, um tatsächlich Wasser zu spalten", sagte Brunauer. "In unserer Studie zeigen wir aber, dass wir den entscheidenden Schritt zur chemischen Speicherung der Energie, nämlich die räumliche Trennung der Reaktionspartner, also Sauerstoff und Wasserstoff, auf diese Art realisieren können."
Neben dem Materialsystem für das Zelldesign stellt der Abtransport der Reaktionspartner eines der Hauptprobleme bei der Entwicklung der neuen Solarzelle dar. Durch den raschen Abtransport des Sauerstoffs soll verhindert werden, dass sich sofort nach der Aufspaltung wieder Wassermoleküle bilden. Dieser Prozess läuft bei hohen Temperaturen rasch und effizient ab.
Funktionell bis 500 Grad Celsius
Da konventionelle Solarzellen jedoch nur bis zu Temperaturen von etwa 100 Grad Celsius gut funktionieren, musste zunächst ein geeignetes Material entwickelt werden. "Unsere Photovoltaikschicht auf Perowskit-Basis funktioniert bei Temperaturen von bis zu 500 Grad Celsius", so Brunauer. "Somit wäre es auch möglich, Anlagen zu bauen, die das Licht der Sonne etwa mit Spiegeln konzentrieren, um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen."
Die Forscher sind zuversichtlich, durch weitere Materialoptimierungen schon bald tatsächlich Wasser spalten zu können. Der Wasserstoff könnte dann etwa in Brennstoffzellen zur Produktion elektrischer Energie verwendet werden. Darüber hinaus wäre damit nach Angaben der Wissenschafter auch der Weg für andere Formen der chemischen Speicherung geebnet. So wäre es etwa denkbar, in ein und derselben Zelle neben Wasser auch Kohlendioxid aufzuspalten und aus den gewonnen Komponenten Kraftstoffe zu synthetisieren. (APA, 18.2.2016)