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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Solargetriebene Wasserspaltung

Die direkte Nutzung von Sonnenlicht zur photoelektrochemischen Generation von Wasserstoff aus Wasser unter Verwendung von Halbleiterbauelementen stellt einen vielversprechenden und eleganten Weg zur Speicherung regenerativer Energie dar. Die chemische Energie des Wasserstoffs kann später entweder direkt durch Verbrennen oder Verstromung in einer Brennstoffzelle genutzt werden oder weiter zu Kohlenwasserstoffen veredelt werden. Um Wasser effizient photoelektrochemisch in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, muss dabei die Halbleiter-Photoelektrode vielfältige Voraussetzungen erfüllen:

  1. Erzeugung einer Spannung am Arbeitspunkt von ca. 1,7 V um die Wasserstoff- und die Sauerstoffentwicklungsreaktionen zu treiben und zusätzliche Verluste, sogenannte Überspannungen, zu kompensieren,
  2. hohe Quantenausbeute für die effiziente Nutzung des Sonnenspektrums zur Generation von Ladungsträgern,
  3. elektrochemische Stabilität unter stark korrosiven Bedingungen und
  4. schnelle Kinetik des Ladungstransfers an der fest/flüssig-Grenzfläche um ungewollte Neben- und Rekombinationsreaktionen zu verhindern (Katalyse).

Zu diesem Zweck werden am IEK-5 speziell ausgelegte Stapelsolarzellen auf der Basis von kristallinen, mikrokristallinen und amorphen Si-Absorbern hergestellt und untersucht. Zur Minimierung von Verlusten und korrosiven Nebenreaktionen werden die chemische und elektronische Oberflächenstruktur in geeigneter Weise durch Schutzschichten und Katalysatoren modifiziert. Die Arbeiten zielen darauf den Wirkungsgrad integrierter photoelektrochemischer Bauelemente deutlich zu steigern und die Material- und Herstellungskosten zu reduzieren.

Wasserspaltung

Abb. 1. Schematisches Banddiagramm und Aufbau eines Bauelementes zur photoelektrochemischen Wasserspaltung bestehend aus einer Silizium-Stapelsolarzelle, einem Katalysator für die Wasserstoffentwicklungsreaktion an der fest/flüssig-Grenzfläche, einem wässrigen Elektrolyten und der katalytisch aktiven Anode für die Sauerstoffentwicklungsreaktion. Unter solarer Beleuchtung generiert die Solarzelle eine Photospannung > ∆E = 1.23 V, die ausreicht um die Wasserstoff- und die Sauerstoffentwicklung zu betreiben und Spannungsverluste (ηHER und ηOER) zu kompensieren.

Drittmittelprojekte:

  1. Schwerpunktprogramm 1613 der Deutschen Forschungs¬gemein¬schaft ("Regenerativ erzeugte Brennstoffe durch lichtgetriebene Wasserspaltung: Aufklärung der Elementarprozesse und Umsetzungsperspektiven auf technologische Konzepte", http://www.solarh2.tu-darmstadt.de/)
  2. Sustainable Hydrogen – SusHy, nationales Verbundprojekt unter Industriebeteiligung (http://www.matressource.de/projekte/sushy/)

Literatur:

F. Urbain, V. Smirnov, J.-P. Becker, U. Rau, F. Finger, J. Ziegler, B. Kaiser, and W. Jaegermann, J. Mater. Res., 2014, 29, 2605–2614.

F. Urbain, K. Wilken, V. Smirnov, O. Astakhov, A. Lambertz, J.-P. Becker, U. Rau, J. Ziegler, B. Kaiser, W. Jaegermann, and F. Finger, Int. J. Photoenergy, 2014, 2014, 1–10.

F. Urbain, V. Smirnov, J.-P. Becker, U. Rau, J. Ziegler, B. Kaiser, W. Jaegermann, and F. Finger, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2015, 140, 275–280.

J. Ziegler, B. Kaiser, W. Jaegermann, F. Urbain, J.-P. Becker, V. Smirnov, and F. Finger, ChemPhysChem, 2014, 15, 4026–4031.

Multijunction Si photocathodes with tunable photovoltages from 2.0 V to 2.8 V for light induced water splitting
Félix Urbain, Vladimir Smirnov, Jan-Philipp Becker, Andreas Lambertz, Florent Yang, Jürgen Ziegler, Bernhard Kaiser, Wolfram Jaegermann, Uwe Rau, Friedhelm Finger Energy Environ. Sci., 2015 (first published online 05 Oct 2015), DOI: 10.1039/C5EE02393A

Ansprechpartner:

Dr. Jan Philipp Becker

Felix Urbain

Dr. Vladimir Smirnov

Dr. Friedhelm Finger

Prof. Dr. Uwe Rau


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