Photokathode: Licht fällt durch eine Schutzschicht (Foto: ACS Energy Letters)

Berlin (pte017/05.07.2018/12:30) –

Einem internationalen Forscher-Team ist es gelungen, den Wirkungsgrad
für die direkte solare Wasserspaltung zur Wasserstoffgewinnung auf 19
Prozent zu steigern. Die Experten haben hierzu eine Tandem-Solarzelle
aus III-V-Halbleitern mit Rhodium-Nanopartikeln und kristallinem
Titandioxid miteinander kombiniert. An der Arbeit waren Teams aus dem
California Institute of Technology (Caltech), der University of
Cambridge, der TU Ilmenau und dem Fraunhofer Institut für Solare
Energiesysteme ISE beteiligt. Einige Experimente fanden am Institut für
Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin http://helmholtz-berlin.de statt.

Monolithische Photokathode

Für die untersuchten monolithischen Photokathode haben
die Forscher eine hocheffiziente Tandem-Zelle mit weiteren funktionalen
Schichten kombiniert. Dabei gelang es ihnen, die Verluste durch
Lichtreflexion und Absorption an der Oberfläche deutlich zu verringern.
"Darin besteht auch die Innovation", sagt Hans-Joachim Lewerenz vom
Caltech: "Denn bereits 2015 konnten wir in einer früheren Zelle einen
Wirkungsgrad von über 14 Prozent erreichen, damals ein Weltrekord. Hier
haben wir die Antikorrosionsschicht durch eine kristalline
Titandioxid-Schicht ersetzt, die nicht nur hervorragende
Antireflexionseigenschaften besitzt, sondern an der auch die
Katalysator-Teilchen haften bleiben."

Die Experten haben außerdem ein neues elektrochemisches
Verfahren genutzt, um die Rhodium-Nanoteilchen herzustellen, die als
Katalysatoren für die Wasserspaltung dienen. Sie messen nur zehn
Nanometer im Durchmesser und sind damit optisch nahezu transparent, also
ideal geeignet für ihre Aufgabe. Unter simulierter Sonneneinstrahlung
erzielten die Forscher einen Wirkungsgrad von 19,3 Prozent in
verdünnter, wässriger Perchlorsäure, in (neutralem) Wasser immerhin noch
18,5 Prozent. Dies reicht schon nahe an den theoretisch maximalen
Wirkungsgrad von 23 Prozent heran, der sich mit dieser Kombination von
Schichten aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften erreichen lässt.

Solarzelle wird gezielt geschützt

"Die kristalline Titandioxid-Schicht schützt die
eigentliche Solarzelle nicht nur vor Korrosion, sondern verbessert durch
ihre günstigen elektronischen Eigenschaften auch den Ladungstransport",
erklärt Matthias May, der einen Teil der Experimente zur
Effizienzbestimmung am HZB-Institut für Solare Brennstoffe durchgeführt
hat. Der nun publizierte Rekordwert basiert auf Arbeiten, die May
bereits als Doktorand am HZB begonnen hatte. "Die Stabilität konnten wir
auf knapp 100 Stunden steigern; das ist ein großer Fortschritt im
Vergleich zu Vorgängersystemen, die bereits nach 40 Stunden korrodiert
waren. Dennoch bleibt hier noch viel zu tun", unterstreicht May
abschließend.