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Photoelektrochemische Elektrolyse: Künstliche Photosynthese skalieren

Künstliche Photosynthese wurde bislang nur im Labormaßstab durchgeführt. Am Forschungszentrum Jülich gelang es erstmals, eine komplette Anlage in kompakten Ausmaßen aufzubauen, die ein Modell für spätere großtechnische Anwendungen sein könnte.

Künstliche Photosynthese Bildquelle: © Tobias Dyck/Forschungszentrum Jülich

Testaufbau des Prototyps der photoelektrochemischen Wasserspaltung: Das komplette System befindet sich in einem mit Wasser (angereichert mit Kalilauge) gefüllten Behälter. Durch die Bestrahlung der Solarzellen mit einer Tageslichtlampe wird in ihnen eine Spannung von 1,8 Volt generiert. Mit der erzeugten Spannung wird das Elektrolysesystem (auf der Vorderseite, mit Anoden und Kathoden aus Nickelschaum) betrieben, das das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet.

»Wir arbeiten zum ersten Mal in Richtung Markteinführung«, erklärt der Jülicher Solarzellenforscher Jan-Philipp Becker. »Wir haben die Grundlagen dafür geschaffen, wie das überhaupt aussehen könnte.« »Die photoelektrochemische Wasserspaltung wurde bis jetzt immer nur im Labormaßstab getestet«, erklärt Solarzellenforscher Burga Turan. »Die einzelnen Komponenten und Materialien wurden verbessert, aber keiner hat wirklich versucht, näher an eine wirkliche Anwendung zu kommen.«

Der Jülicher Prototyp leitet Elektrizität aus einer Solarzelle direkt zu einem Elektrolyseur zur photoelektrochemischen Wasserspaltung.  Er ist mit 64 Quadratzentimetern immer noch recht kompakt, im Gegensatz zu den bislang Fingernagel-großen Laborkomponenten allerdings eine Großanlage. Er besteht aus kostengünstigen, leicht verfügbaren Materialien und kann durch einfaches Hinzufügen weiterer Basiseinheiten auf Quadratmetergröße skaliert werden.

Photosynthese System Bildquelle: © Forschungszentrum Jülich

Das Photosynthese-System der Jülicher Solarzellenforscher ist kompakt und in sich geschlossen. Aufgrund des flexiblen Designs lässt es sich beliebig erweitern. Das Konzept ist für jede Dünnschicht-Photovoltaik-Technologie und verschiedene Elektrolysearten anwendbar.

Beim Verschalten der Solarzellen wurde eine spezielle Lasertechnik angewendet, erklärt Becker:  »Durch diese Serienverschaltung erreicht jede Einheit die für die Wasserstoffgewinnung nötige Spannung von 1,8 Volt. Im Gegensatz zu den bislang in Laborexperimenten üblichen Konzepten zur Aufskalierung erlaubt diese Methode eine höhere Effizienz.«

Derzeit erreicht der Prototyp eine Effizienz von 3,9 Prozent. »Das klingt nicht nach viel«, sagt Bugra Turan. »Doch das ist natürlich nur ein erster Entwurf einer vollständigen Anlage. Da ist noch mehr drin.« Die Forscher schätzen, dass ihr Design für 10 Prozent Wirkungsgrad gut ist. Mit anderen Materialien wie Perowskit lassen sich heute bereits 14 Prozent erreichen. Natürliche Photosynthese erreicht nur 1 Prozent Wirkungsgrad.