Technik

Solarenergie: Neue Solarzelle erzeugt Strom und Wasserstoff

von Paul Bandelin

Eine neue Art von Solarzellen erreicht einen deutlich höheren Wirkungsgrad als bisherige Modelle. Ein Meilenstein für die regenerativen Energien?

Detailansicht einer Solaranlage.
Forscher in den USA haben eine neue Solarzelle mit einem höheren Wirkungsgrad entwickelt. Foto: Shutterstock / Phatthaya Awisu

Das erfahren Sie gleich:

  • Wie eine neue Solarzelle einen Wirkungsgrad von über 20 Prozent erreicht
  • Warum bisher die Produktion von Wasserstoff deutlich weniger effizient war
  • Welche Rolle Silizium bei der Herstellung von Solarenergie spielt

Amerikanische Wissenschaftler haben eine neue Solarzelle entwickelt, die gleichermaßen Strom und Wasserstoff liefert. Ihr Gesamtwirkungsgrad liegt bei über 20 Prozent: Das ist in etwa vergleichbar mit dem Wirkungsgrad von reinen stromproduzierenden Solarzellen und rund dreimal mehr als bei Solarzellen, die nur Wasserstoff produzieren.

Für die Forschung im Bereich der regenerativen Energien könnte das einen Meilenstein bedeuten, da eine effiziente Alternative zur Wasserstoffherstellung durch Elektrolyse gefunden scheint.

Paradigmenwechsel bei Herstellung von Wasserstoff

Forschern des Lawrence Berkely National Laboratory, einer Einrichtung des US-Energieministeriums, und des Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) ist ein unerwarteter Durchbruch in der Wasserspaltung gelungen.

Bei diesen Vorgang werden Photonen genutzt, um Wasser elektrochemisch in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Das künstliche Photosynthesegerät heißt "hybride photoelektrochemische Voltaik-Zelle" (HPEV) und wandelt Sonnenlicht und Wasser in nicht nur eine, sondern gleich zwei Arten von Energie um – Wasserstoff und Strom.

Bei der direkten Produktion von Wasserstoff durch Solarzellen besteht die Herausforderung darin, die erzeugbare elektrische Spannung für die Spaltung der Wassermoleküle nutzbar zu machen. Das Problem: Andere Materialien in einer solchen Zelle limitieren das Potenzial des Siliziums.

„Das ist Energie, die man ernten könnte, aber weil Silizium nicht an seinem maximalen Leistungspunkt wirkt, können die meisten der angeregten Elektronen im Silizium nirgendwo hingehen, also verlieren sie ihre Energie, bevor sie für nützliche Arbeiten genutzt werden“, so Dr. Gideon Segev vom JCAP.

Als Lösung kamen die Forscher auf die Idee, auf der Rückseite der Zelle einen weiteren elektrischen Kontakt anzubringen. So wird ein Teil der gewonnenen Energie zur Spaltung der Wassermoleküle und somit der Herstellung des Wasserstoffs genutzt, während der Rest als Strom entnommen wird.

Im Labor gelang den Wissenschaftlern dieser Durchbruch erstmals bei einem Prototyp, womit sie bewiesen, dass die Idee grundsätzlich funktioniert.

Wirkungsvoller Einsatz von Solarenergie

Herkömmliche auf Silizium und Bismutvanadat basierende Solar-Wasserstoffzellen erreichten bislang lediglich einen Wirkungsgrad von 6,8 Prozent. Das bedeutet: 6,8 Prozent der einfallenden Sonnenenergie werden im produzierten Wasserstoff gespeichert – der Rest der Energie kann nicht genutzt werden.

Die Solarzellen der US-Forscher konnten im Labor zusätzlich 13,4 Prozent der Solarenergie in Strom umwandeln. Kumuliert liegt der Wirkungsgrad also bei 20,2 Prozent – dreimal höher als bei herkömmlichen Solar-Wasserstoffzellen.

„Nach anderthalb Jahren, in denen wir an einem ziemlich mühsamen Prozess gearbeitet haben, war es schön zu sehen, dass unsere Experimente endlich zusammenkommen“, fügte Segev hinzu.

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