Mehr Wasserstoff aus Solarenergie

Solarzellen aus Silizium liefern mit hoher Effizienz Sonnenstrom. Doch für die Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht sind Siliziummodule nicht optimal geeignet. Nun entwickelte eine in Lausanne ansässige Forschergruppe eine vielversprechende Alternative. Die Wissenschaftler kombinierten sogenannte Perowskit-Solarzellen mit günstigen Katalysatoren aus Eisen und Nickel. Wie sie in der Zeitschrift „Science“ berichten, erreichte ihr Prototyp für eine solare Wasserstoff-Produktion einen hohen Wirkungsgrad von über zwölf Prozent. So effizient funktionierte die Spaltung von Wassermolekülen in Sauerstoff und Wasserstoff bisher nur mit wesentlich teureren Katalysatoren aus Platin oder Rhutheniumoxid.

„Wasserstoff ist die einfachste Form eines Energieträgers und kann aus Sonnenlicht über elektrochemische Spaltung von Wasser oder über solar betriebene Elektrolyse gewonnen werden“, erklärt die Arbeitsgruppe um Michael Grätzel von der Technischen Hochschule in Lausanne. Die Forscher wählten den zweiten Weg, nutzten dafür aber nur günstige Materialien. Als Stromerzeuger verwendeten sie Perowskit-Solarzellen, die in einem einfachen Verfahren auf der Basis eines lichtaktiven, bleihaltigen Salzes (Methylammoniumbleihalid) hergestellt werden können. Nur zwei dieser Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von etwa 15 Prozent mussten in Reihe geschaltet werden, um mit gut zwei Volt genug Spannung für die elektrolytische Spaltung von Wasser zu liefern.

Effizienter Prototyp

Dieser photovoltaisch erzeugte Strom floss zu zwei Elektroden, die wesentlich aus Nickel und Eisen bestanden. Der Vorteil dieses Katalysators: Er unterstützte zugleich die Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff. Eingetaucht in eine wässrige Lösung aus Natriumhydroxid blubberten sofort kleine Gasblasen an beiden Elektroden: auf der einen Seite Wasserstoff, auf der anderen Seite Sauerstoff. Über mehrere Stunden sammelten Grätzel und Kollegen die produzierten Gasmengen. Der Energieinhalt des gewonnenen Wasserstoffs entsprach dabei 12,3 Prozent des künstlichen Sonnenlichts, mit denen die Perowskit-Solarzellen im Labor beleuchtet wurden.

„Ein großer Nachteil dieses Systems ist die Instabilität der Perowskit-Zellen, wodurch die Stromausbeute nach einigen Stunden abnimmt“, sagt Thomas Haman von der Michigan State University in einem Begleit-Kommentar. Grätzel und Kollegen sind sich dieses Problems sehr wohl bewusst. Doch sind sie überzeugt, dass Perowskit-Solarzellen durch verbesserte Fertigungsverfahren bald stabiler werden könnten. Gelingt dieser Schritt, ließe sich ihr Verfahren zum Aufbau großer Wasserstoff-Fabriken nutzen. Da sich Wasserstoff unter Druck gut speichern und transportieren lässt, könnten die Anlagen in Zukunft auch in Wüstenregionen aufgebaut werden. Es ist nicht unwahrscheinlich, dass solar erzeugter Wasserstoff dann sogar günstiger wird als über die heute übliche Gewinnung aus Erdgas.