(Ilmenau) – Die Nutzung von Sonnenenergie zur Herstellung von Wasserstoff kann durch zwei Verfahren erfolgen: Wasserelektrolyse mit solar erzeugtem Strom sowie mittels direkter solarer Wasserspaltung. Bei erstem wird Elektrizität, ein sehr effizienter Energieträger, verwendet, um Wasserstoff, einen anderen Energieträger, zu erzeugen und diesen dann wieder in Elektrizität umzuwandeln.
Einen Schritt weiter geht das Verfahren zur direkten solaren Wasserstofferzeugung über photoelektrochemische Prozesse. „Darunter versteht man die Absorption des Sonnenlichts in einem Halbleitermaterial, welches selbst eine ausreichend große Photospannung (> 1.6 Volt) generiert, um Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen“, so die Wissenschaftler an der Technische Universität Ilmenau. Dies ist Bestandteil der Forschung im Verbundprojekt „H2-Demo“.
Forscher sollen Demonstratoren herstellen
Den Angaben zufolge eignen sich für das Verfahren „insbesondere sogenannte Tandem-Absorber, bei denen zwei absorbierende Materialien elektrisch seriell verschaltet werden“, analog zu Tandem-Solarzellen, die in der Photovoltaik eingesetzt werden. In kleinem Format sei dieses Wasserstoffproduktionsverfahren bereits gezeigt worden. Ziel des Forschungsprojekts „H2-Demo“ ist es nunmehr , erstmals größere Demonstratoren herzustellen. 
„Zu den Arbeitspaketen in H2-Demo zählt die Optimierung der III-V-Tandem-Absorber, die auf Silizium abgeschieden und deren Eigenschaften weiter verbessert und auf die spezifische Anwendung hin optimiert werden müssen“, sagt Projektkoordinator Frank Dimroth, Abteilungsleiter III-V Photovoltaik und Konzentratortechnologie am Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme (ISE). Zudem würden „Prozesse und Anlagen für einen späteren industriellen Einsatz skaliert und neue Prozesse mit hohem Durchsatz entwickelt“. Schließlich soll ein Demonstrator mit einer Fläche von 36 mal 36 Quadratzentimeter gebaut und auf einem Testfeld installiert werden, um die solare Wasserstoffeffizienz – H2-Erzeugung und Moduleffizienz – im Detail zu messen.
Schwierige Grenzflächen
Die TU Ilmenau beschäftigt sich eigenen Angaben zufolge im Rahmen des Projekts vor allem „mit den schwierigen Grenzflächen, die zwischen Silizium und den III-V-Halbleitern in der Tandemstruktur sowie zwischen dem Bauelement und dem wässrigen Elektrolyten liegen“. Die Tandemstruktur, die hier eingesetzt wird, bestehe einerseits aus dem Halbleiter Silizium und aus III-V-Halbleiterverbindungen (also einer Verbindung von Materialien der chemischen Hauptgruppe III ‚Erdmetalle/Bor’ und V ‚Stickstoff-Phosphor’), „die das Silizium in seiner Funktionalität praktisch veredele“. Zusammen ergebe sie eine Tandemstruktur, die nötig sei, „um genügend viel ‚Freie Energie‘, das heißt eine genügend hohe Photospannung für die Wasserspaltung bereitzustellen – und dies mit hoher Effizienz“, so Thomas Hannappel, Leiter des Fachgebiets Grundlagen von Energiematerialien und Stellvertretender Direktor des Thüringer Energieforschungsinstituts (ThEFI), der das Teilprojekt an der TU Ilmenau leitet. Überdies versuche man im Projekt „bei einer weiteren, besonders schwierigen Grenzfläche, der Fest-Flüssig-Grenzfläche zwischen Halbleiter und der wässrigen Lösung, dem Elektrolyten, Stabilität zu erreichen und Korrosion zu verhindern“.
Förderung für fünf Jahre durch BMBF
Das Verbundprojekt H2Demo wird mit rund 14 Millionen Euro über einen Zeitraum von fünf Jahren vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Unter Federführung des Fraunhofer ISE in Freiburg arbeiten elf Partner an Demonstratoren für die direkte solare Wasserspaltung. Neben der TU Ilmenau sind Azur Space, Helmholtz Zentrum Berlin, HQ Dielectrics, LayTec AG, Plasmetrex GmbH, Philipps-Universität Marburg, SEMPA, Technische Universität München sowie die Universität Ulm beteiligt. Die Projekte ergänzen die drei industriegeführten Wasserstoffleitprojekte, die ebenfalls noch im Frühjahr starten sollen.
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https://www.tu-ilmenau.de/journalisten/pressemeldungen/einzelnachricht/newsbeitrag/26218/
Foto oben
Sind Solarzellen ein Weg oder ein Umweg bei der Wasserstoffproduktion? Forscher versuchen / © University of Central Florida / Florida Solar Energy Center (FSEC)
Foto Mitte
Aufbau einer Photokatode mit hoch effizienter Tandemzelle / © ACS Energy Letters 3 (2018)
