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Institut für Energie- und Klimaforschung
IEK-5 Photovoltaik

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Wasserspaltung im Fokus

Die Erzeugung von Brenn- und Treibstoffen mittels erneuerbarer Energien gilt als wichtiges Element einer nachhaltigen Energieversorgung. Die photo-elektrochemische Wasserspaltung bietet eine Möglichkeit, Solarenergie in Form von Wasserstoff einzufangen und zu speichern. Zu diesem Zwecke kann ein Bauelement benutzt werden, welches in Kontakt mit einem wässrigen Elektrolyten und unter Belichtung mit Sonnenlicht in der Lage ist, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Um durch Elektrolyse Wasserstoff aus Wasser zu erzeugen wird eine Mindestspannung von 1.23 V benötigt. In realen Systemen sind allerdings aufgrund von sogenannten Überspannungsverlusten in der Regel Spannungen von 1.5 – 2.0 V erforderlich, abhängig von der Wahl des verwendeten Katalysators.
In der Kombination einer photovoltaischen (PV) mit einer elektrochemischen (EC) Zelle fungiert die Solarzelle unter Belichtung mit Sonnenlicht als Leistungsquelle mit geeigneter Ausgangsspannung, um die elektrochemische Reaktion der Spaltung von H2O in molekulares H2 und O2 anzutreiben. Um eine ausreichende Spannung bei vernünftiger Solar-zu-Wasserstoff-Effizienz zur Verfügung zu stellen, ist eine Mehrfachstapelzelle erforderlich. Dabei addieren sich die Spannungen der in Serie geschalteten Unterzellen zur benötigten Gesamtspannung. Die Unterzellen unterscheiden sich in den optischen und elektrischen Eigenschaften (z.B. in der Bandlücke), und das Licht durchläuft eine Unterzelle nach der anderen. Offensichtliche Vorteile dieses Ansatzes sind eine verbesserte Ausnutzung des Sonnenspektrums sowie reduzierte Thermalisierungsverluste im Vergleich zu Einfachzellen.
Wir haben vertikal integrierte Mehrfachstapelzellen auf der Basis von Silizium-Dünnschichtlegierungen entwickelt, welche einen großen Bereich von für Wasserspaltungsprozesse geeigneter Ausgangsspannungen abdecken. In der Kombination mit einem Elektrolyseur auf der Basis von Edelmetallkatalysatoren kann ein solches Bauelement Wasserstoff mit einer Solar-zu-Wasserststoff-Effizienz von nahezu 10% produzieren [1].
Der direkte Kontakt des lichtabsorbierenden Halbleitermaterials mit dem Elektrolyten stellt allerdings eine Herausforderung hinsichtlich der chemischen Stabilität des Bauelements dar. Dieses Problem wurde mittlerweile - zusammen mit einer lateralen Aufskalierung des Bauelements - ebenfalls erfolgreich bewältigt [2].
Ein alternativer Ansatz verwendet das am Institut entwickelte Know-how bezüglich Modulintegration durch Laserablationsprozesse zur Herstellung eines PV-EC Modules mit Seite-an-Seite Anordnung der Elektroden und vielversprechendem Potential für das Aufskalieren auf große Flächen [3].

[1] F. Urbain et al., Energy & Env. Science 9 (2016) 145 - 154 [DOI:10.1039/C5EE02393A]
[2] J.-P. Becker, et al., J. Mat. Chemistry A 5 (2017) 4818 - 4826 [DOI: 10.1039/C6TA10688A]
[3] B. Turan et al., Nature Comm. 7, 12681 (2016) [DOI: 10.1038/ncomms12681]


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