Künstliche Photosynthese – Licht in Wasserstoff speichern

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kuenstliche-photosynthese-licht-wasserstoff-speichernSonnenstrom steht lediglich tagsüber zur Verfügung und lässt sich nur mit ausgefeilten Speichersystemen zwischenspeichern. Eine innovative Lösung stellt eine künstliche Photosynthese dar. Ein Prototyp, welcher Sonnenlicht in Wasserstoff umwandeln kann, weckt bei vielen die Hoffnung auf eine baldige Umsetzung. Durch die Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff ist dieser Strom speicherbar.

Pflanzen können Sonnenenergie speichern

Pflanzen nutzen das Sonnenlicht für eine Photosynthese, mit der sie energiereiche Verbindungen herstellen können. Hierbei erreichen sie jedoch nur eine Effizienz von 1%. Wissenschaftler versuchen schon seit langem, eine künstliche Photosynthese und Zellen herzustellen, die aus Sonnenenergie Wasserstoff produzieren. Das Fachmagazin Science berichtete jetzt, dass ein internationales Forscherteam eine effiziente und kostengünstige Lösung gefunden habe, Wasserstoff mithilfe von Sonnenenergie aus Wasser zu gewinnen. Immerhin erreicht die neue Perowskit-Solarzellentechnik eine Effizienz von rund 12,3%.

Wasserstoff als Energieträger der Zukunft

Wegen seiner hohen Energiedichte zählt Wasserstoff zu einem wichtigen Energieträger der Zukunft. Kann auf effiziente Weise Wasserstoff durch Sonnenlicht gewonnen werden, so wäre ein Hauptproblem der Solarenergie gelöst. Sonnenenergie steht nur tagsüber zur Verfügung. Wasserstoff können jedoch unabhängig von der Tageszeit in großen Tanks gelagert werden. Als kostengünstige Alternative sollen Bauteile entwickelt werden, bei denen eine Solarzelle gleich mit einer Elektrolyse vereint wird.

Katalysatoren ermöglichen eine neue Art von Solarzelle

Die Forscher um Michael Grätzel von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz machen deutlich, dass die neue Solarzelle das Mineral Perowskit, Nickel und Eisen enthält. Diese Stoffe sind in der Natur ausreichend vorhanden. Grätzel selbst hat eine nach ihm benannte Solarzelle entwickelt, die mithilfe natürlicher Farbstoffe Sonnenenergie aufnehmen kann. Hierbei findet eine vergleichbare Photosynthese wie bei Pflanzen statt. Bislang wurden hierfür jedoch nur seltene Elemente verwendet, die zu hohen Kosten führten. Um eine ausreichende Spannung von wenigstens 1,23 Volt für eine Wasseraufspaltung zu erreichen, haben die Forscher zwei Perowski-Solarzellen miteinander kombiniert. Hierbei finden zwei Reaktionen statt, bei der zunächst Wasserstoff-Gas und anschließend Sauerstoff-Gas entwickelt werden.

Viele natürliche Stoffe auf der Erde haben die Forscher als mögliche Katalysatoren hin untersucht. Die Wissenschaftler beschrieben, dass es nicht leicht gewesen sei, zumal die Elektrolyt-Flüssigkeit zwischen den Elektroden eine starke Säure oder eine starke Base darstellen sollte. Aus Kostengründen entschied man sich für ein mit Eisen versetztes Nickel(II)-Hydroxid. Gemeinsam mit dem Nickelschaum wird hierdurch der äußere Teil der Elektroden gebildet, an dem letztlich die Wasseraufspaltung stattfindet.

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Es wird von einer Effizienz von bis zu 20% ausgegangen

Eine Besonderheit der Perowkit-Solarzelle ist noch nicht erforscht. So wird der wasserspaltende Fotostrom mit der Zeit geringer. Erst nach einer Pause, wie zum Beispiel in der Nacht, erlangt die Solarzelle wieder ihre volle Leistung. Thomas Hamann von der Michigan State University in East Lansing schreibt in einem Science-Kommentar, dass die Wasseraufspaltungseffizienz von 12% schon enorm sein, jedoch es mehrere Möglichkeiten gibt, diese noch zu steigern. Generell gehen die Forscher davon aus, die Effizienz auf bis zu 20% zu steigern. Dies würde gelingen, wenn Perowskit-Solarzellen mit einem Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Silizium, kombiniert würden. Letztlich könnte auch die Reaktion zur Entwicklung von Wasserstoff mit einem anderen Katalysator verbessert werden. Hamann zeigt sich zuversichtlich. Immerhin wird es aufregend sein, herauszufinden, ob die Perowskit-Solarzelle die fossilen Brennstoffe in Zukunft ersetzen können.

Bildquelle: © TiM Caspary / pixelio – www.pixelio.de

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