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19.10.2015 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

Forscher erzielen Durchbruch bei der solaren Wasserspaltung

Autor:
Angelina Hofacker

Forscher der Technischen Universität Ilmenau haben eine auf künstlicher Photosynthese beruhende Methode entwickelt, mit der sich Wasserstoff aus dem Licht der Sonne herstellen lassen soll. Der Wirkungsgrad der direkten solaren Wasserspaltung konnte dabei auf 14 Prozent gesteigert werden, berichten die Forscher.

Wie die Ilmenauer Wissenschaftler erläutern, scheitert die Herstellung von "Sonnen-Wasserstoff" auf industrieller Ebene bisher an den Kosten. Um den Produktionsaufwand finanziell zu rechtfertigen, sei der Wirkungsgrad der künstlichen Photosynthese, also der Energiegehalt des erzeugten Wasserstoffs bezogen auf den des zugeführten Sonnenlichts, einfach zu gering. Bisher lag die maximale jemals erreichte Effizienz bei 12,4 Prozent, berichten die Wissenschaftler, ein Ergebnis, das vor 17 Jahren vom National Renewable Energy Laboratory in den USA erzielt wurde. Schätze man einen wirtschaftlichen Einsatz der solaren Wasserspaltung im Vergleich mit fossilen Brennstoffen ab, so könne man ab einer Effizienz von etwa 15 Prozent wirtschaftlich konkurrenzfähig werden.

Effizienzsteigerung auf 14 Prozent

Unter der Leitung des Ilmenauer Professors Thomas Hannappel gelang es nun einem internationalen Forscherteam, den Wirkungsgrad der direkten solaren Wasserspaltung von 12,4 auf 14 Prozent zu steigern. Dieses Rekordergebnis, hervorgegangen aus der Doktorarbeit von Matthias May im Fachgebiet Photovoltaik an der TU Ilmenau und soeben veröffentlicht in der Fachzeitschrift "Nature Communications", könnte die Lösung der Energieprobleme auf der Welt sein, so die Ilmenauer Forscher. Die Annahme der Publikation des Fachgebiets Photovoltaik an der TU Ilmenau um Professor Hannappel, des Instituts für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin, des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE und des California Institute of Technology verdeutliche die wissenschaftliche Bedeutung der Forschungsarbeiten.

Silizium als Basissubstanz

Nun gelte es, die Serienproduktion von Hochleistungs-Halbleiterbauelementen kostengünstig zu machen. Professor Hannappel sieht die Lösung in der Verwendung von Silizium: "Dieses ausgereifte Material eignet sich hervorragend als Basissubstanz für hocheffiziente, kostengünstige Bauelemente. Es ist fast unbegrenzt verfügbar und besitzt nahezu ideale physikalisch-chemische Eigenschaften." Allerdings, erklärt der Forscher, kommen bei der Verwendung von Silizium in den Bauelementen Materialgruppen zusammen, die verschiedenen Halbleiterfamilien angehören. Bei einer ungenauen Zusammenführung dieser Materialien seien die Leistungseinbußen enorm. Die Übergänge von einem Material zum anderen, die so genannten Grenzflächen, seien bei der Herstellung von Bauelementen häufig der kritische Punkt. Trotzdem ist sich Hannappel sicher, diese Aufgabe bewältigen zu können: "Unser Zugang ist besonders, ja weltweit einmalig. Unsere Leistung besteht darin, an den entscheidenden Stellen ganz genau hinschauen zu können. In diesem Fall hieß es, die Oberflächen von Halbleitern gezielt zu manipulieren."

Mit modernster experimenteller Ausstattung hat sich die TU Ilmenau eigenen Angaben zufolge in den letzten Jahrzehnten eine einzigartige Expertise bei der Erforschung regenerativ erzeugter Energie aufgebaut.  Erst im letzten Jahr waren die Ilmenauer Wissenschaftler an der deutsch-französischen Entwicklung einer so genannten Vierfach-Stapelsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von etwa 45 Prozent entscheidend beteiligt. Keine Solarzelle weltweit könne Sonnenenergie effizienter in Strom umwandeln. Solche Wirkungsgrade sind allerdings mit solarer Wasserspaltung nicht einmal theoretisch erreichbar. Hier sei das internationale Team schon sehr weit gekommen.

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