Mit Solarstrom Wasser in seine Elemente spalten und den Wasserstoff in das Gasnetz einspeisen: Das Verfahren kann helfen, das Problem der fluktuierenden Stromerzeugung mit der Sonne zu lösen. Denn der Wasserstoff lässt sich so deutlich besser als der Solarstrom selbst speichern. Zudem ist er dann auch längerfristig speicherbar und kann die Solarstromerzeugung saisonal verschieben. Der dritte Vorteil ist, dass bei der späteren Stromerzeugung mit Wasserstoff kein Kohlendionxid, sondern ausschließlich Wasser anfällt.
Solarzelle als künstliches Blatt
Um das Verfahren auch wirtschaftlich weiterzubringen, arbeiten die Wissenschaftler am Forschungszentrum Jülich daran, den Solarstrom nach dem Prinzip der künstlichen Photosynthese direkt zur Spaltung von Wasser einzusetzen. Die Solarzelle funktioniert dabei wie ein künstliches Blatt. Sie wandelt die Sonnenenergie in chemische Energie um, indem sie Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten. Das Ziel der Jülicher Forscher ist, den Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu erhöhen. Denn dieser lag bisher bei gerade 7,8 Prozent. Mit einer Neuentwicklung haben die Forscher in Jülich die Effizienz des Gesamtsystems auf 9,5 Prozent gesteigert.
Drei Schichten übereinander
Herzstück des Systems ist eine Mehrfachstapelzelle mit gleich drei Siliziumschichten, die das Sonnenlicht in Strom umwandeln. Die Zelle ist dabei speziell auf die photoelektrochemische Wasserspaltung zugeschnitten. „Die besondere Schwierigkeit besteht darin, eine ausreichend hohe Photospannung zu erzeugen“, erklärt Jan-Philipp Becker vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK) am Forschungszentrum Jülich. „In der Praxis sind etwa 1,6 Volt notwendig, um die Wasserspaltungsreaktion voranzutreiben. Mit gängigen kristallinen Siliziumsolarzellen, deren Photospannung deutlich unter einem Volt liegt, ist das nicht zu schaffen.“
Mehr Sonnenlicht einfangen
Deshalb nutzen die Jülicher Forscher Zellen, die aus zwei Schichten amorphem Silizium und einer Schicht mikrokristallinem Silizium besteht. „Durch diesen mehrlagigen Aufbau lässt sich das Sonnenlichtspektrum, das über verschiedene Wellenlängen reicht, effizienter einfangen“, erläutert Félix Urbain, der als Doktorand am Jülicher Forschungszentrum an der Entwicklung mitgearbeitet hat. „Gleichzeitig erhöht sich die Spannung auf bis zu 2,8 Volt und bietet damit sogar noch ausreichend Spielraum, um statt teurer Platinkatalysatoren auch weniger edle Metalle wie Nickel als Katalysator einzusetzen.“
Dünnschicht ist billiger zu produzieren
Die Jülicher Forscher greifen bewusst auf die Dünnschichttechnologien zurück. Zum einen lassen sich die Zellen billiger herstellen. Sie werden nicht wie kristalline Zellen aus einem energieintensiv und damit teuer hergestellten Wafer geschnitten, sondern im Vakuum schicht für Schicht auf ein Trägersubstrat aus Glas oder Kunststoff abgeschieden. „Die Dünnschichttechnologie bietet damit den Vorteil, dass sie mit deutlich weniger Material auskommt als die klassische Wafertechnologie, und sich die Halbleitermaterialien vergleichsweise kostengünstig großflächig aufbringen lassen“, begründet Friedhelm Finger, Leiter der Abteilung „Materialien und Solarzellen“ am Forschungszentrum Jülich.
Höhere Spannung nutzen
Zum anderen erreichen die Dünnschichtzellen auch eine höhere Spannung. Diese zahlt sich bei der Wasserstoffgewinnung aus. Denn damit können die Jülicher Forscher den Wirkungsgrad des Gesamtsystems nach oben treiben. Nur so haben sie auch den neuen Effizienzrekord geschafft. „Unsere Tests zeigen, dass sich Silizium-Dünnschichtsolarmodule effizient zur Erzeugung von Wasserstoff einsetzen lassen“, betont Uwe Rau, Leiter des IEK am Forschungszentrum Jülich. „Gesamtwirkungsgrade von über zehn Prozent erscheinen durchaus machbar“, schätzt er ein. Doch die Technologie hat noch einen Haken. Denn sie ist bisher noch im Laborstadium. Das bedeutet, bisher existiert alles nur in kleinem Maßstab. Die Erfahrung aus der Vergangenheit zeigt, dass es gerade mit Dünnschichttechnologien eine große Herausforderung ist, die Laborwirkungsgrade auch in die Massenfertigung umzusetzen. Denn dabei müssen die einzelnen Schichten gleichmäßig auf größere Substratflächen aufgetragen werden. Was im kleinen Maßstab gelingt, ist bei der Massenfertigung nicht so einfach. Deshalb ist auch der nächste Schritt der Jülicher Forscher, ihre Zelle auf größere Flächen hochzuskalieren. (Sven Ullrich)
