FuerschungLëtzebuerger hëlleft der Energie vun der Zukunft

De Félix Urbain, 28 Joer a vun Nidderaanwen, huet e Wee fonnt, Waasserstoff méi einfach a méi bëlleg ze produzéieren.

De Félix Urbain virun enger "Cluster-Depositiounsanlag", fir "Silizium-Dünnschichtsolarzellen" ze produzéieren.© Forschungszentrum Jülich
Reportage iwwert de Felix Urbain / Raphaelle Dickes



"Künstliche Photosynthese: Neuer Wirkungsgrad-Rekord für die Wasserstoff-Herstellung mit Solarzellen aus Silizium" - esou den Titel vun engem Pressecommuniqué vum Fuerschungszentrum Jülich. Jülich läit tëscht Köln an Oochen an op deem Fuerschungszentrum schafft ënnert anerem och de Lëtzebuerger Félix Urbain. An ausgerechent de Félix Urbain stécht hannert deem Fuerschungsresultat, fir dat se zu Jülich extra eng Pressematdeelung gemaach hunn - an och nach eng, déi op breet Resonanz gestouss ass, wat bei wëssenschaftleche Communiquéen alles anescht ewéi selbstverständlech ass.

De Grond, firwat dat esou war: Et geet ëm Waasserstoff, bekanntlech ee vun deenen Energieträger, an déi mat déi gréissten Zukunftshoffnunge gesat ginn. Ma do virdu muss ee fir d'éischt emol Waasserstoff hunn. An genee do huet de Félix Urbain elo en Exploit realiséiert: Bei der Produktioun vu Waasserstoff mat Solarzellen aus Silizium huet hien en neie Rekord beim Wierkungsgrad opgestallt: 9,5 Prozent bei dëser kënschtlecher Photosynthes, bis elo louch de Rekord bei 7,8 Prozent.

De Félix Urbain kënnt vun Nidderaanwen, ass 28 Joer an an huet op der RWTH Aachen Materialwissenschaften studéiert a mécht de Moment och säin Dokter an deem Fach.

RTL.lu huet sech mat him per E-Mail iwwer seng Fuerschung ënnerhalen.

Här Urbain, wéi kënnt een als Lëtzebuerger op de Fuerschungszentrum op Jülich?

D'Forschungszentrum Jülich an d'RWTH Aachen schaffen a ville wëssenschaftleche Gebidder interdisziplinär zesummen. Sou ass z.B. mäin "Doktorvater", de Prof. Dr. Uwe Rau, souwuel Direkter vun eisem Institut zu Jülich (IEK-5, Institut für Photovoltaik) an awer och Dozent fir Photovoltaik op der RWTH Aachen. Duerch mäi Studium an duerch de Kontakt zum Prof. Rau sinn ech eben dunn och op d'Forschungszentrum Jülich opmierksam ginn. Doriwwer eraus ass d'Forschungszentrum Jülich mat iwwert 5.500 Mataarbechter ee vun de gréissten an renomméiertste Fuerschungszentren an Europa. Ech hunn also net zweemol missen iwwerleeën, wéi ech eng Doktorandenplaz zu Jülich vum Prof. Uwe Rau ugebuede krut.

A wéi kënnt een dann ausgerechent zu deem Sujet?

De Sujet "photoelektrochemische Wasserspaltung" huet mir direkt zougesot, well et e ganz interdisziplinäert Fuerschungsfeld ass, wou souwuel déi physikalesch bzw. photovoltaesch wéi och déi chemesch Aspekter eng wichteg Roll spillen. Duerch mäi materialwëssenschaftlecht Studium, wat och ganz wäitgefächert strukturéiert war, konnt ech mech soumat ganz schnell an dat fir mech zu där Zäit nach komplett neit Thema aschaffen.

Wéi kéint een dann elo Sënn an Zweck vun Ärer Leeschtung kuerz resuméieren?

Meng Fuerschungsresultater weisen, dass et méiglech ass Waasserstoff, als späicherbare Brennstoff, direkt mat Hëllef vun der Sonn ëmweltfrëndlech aus Waasser hierzestellen, an dat op eng bëlleg an effizient Aart a Weis.

A wéi ass et mam konkrete Notze fir den Ottonormalverbraucher mat Ärer Erkenntnis?

Waasserstoff huet d'Potenzial, fir an Zukunft ëmweltschiedlech fossil Brennstoffer wéi Ueleg an Äerdgas ze ersetzen. Bei der uschléissender Stroumerzeugung mat Waasserstoff (a Brennstoffzellen z.B) fält kee schiedlechen CO2, mä just rengt Waasser (H2O) als "Offallprodukt" un. En plus léisst sech Waasserstoff vill méi liicht späichere wéi z.B. elektresche Solarstroum a kann domat och benotzt ginn, wa keng Sonn schéngt.

Wasserstoffentwicklung an der Photokathode mit Silizium-Dünnschichtsolarzelle (rechts), an der Metallelektrode (links) bildet sich Sauerstoff.© Forschungszentrum Jülich


COMMUNIQUÉ

Künstliche Photosynthese: Neuer Wirkungsgrad-Rekord für die Wasserstoff-Herstellung mit Solarzellen aus Silizium

Jülich, 27. Oktober 2015 - Wasserstoff könnte in Zukunft Erdöl und Erdgas ersetzen. Eine der Schlüsselfragen ist jedoch, woher dieser umweltfreundliche Energieträger einmal kommen soll. Jülicher Forscher haben dafür nun eine Mehrfachsolarzelle aus Silizium entwickelt, die sich vergleichsweise kostengünstig produzieren lässt und Wasserstoff nach dem Prinzip der "künstlichen Photosynthese" direkt mit Sonnenlicht erzeugt. Mit einem Gesamtwirkungsgrad von 9,5 Prozent konnten die Jülicher Wissenschaftler die Effizienz entsprechender Module auf Silizium-Basis deutlich steigern, der bisherige Rekordwert lag bei 7,8 Prozent. Die Ergebnisse wurden kürzlich in "Energy & Environmental Science" veröffentlicht.

Die Energie des Sonnenlichts ist enorm. Die auf der Erdoberfläche eintreffende Strahlung reicht aus, um den weltweiten Energiebedarf gleich um ein Vielfaches zu decken. Doch das Sonnenlicht ist nicht zu jeder Zeit verfügbar. Solarmodule, die Wasserstoff statt Strom erzeugen, sind daher eine interessante Alternative. Denn der Wasserstoff lässt sich deutlich besser als elektrischer Strom speichern. Entsprechende Solarmodule funktionieren ähnlich wie ein künstliches Blatt: Sie wandeln Sonnenenergie in chemische Energie um, indem sie Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten. Bei der späteren Energiebereitstellung mit Wasserstoff fällt nur Wasser und kein klimaschädliches Kohlendioxid an. Für den wirtschaftlichen Betrieb müssen die Kosten und der Wirkungsgrad der solaren Wasserstofferzeugung jedoch noch weiter verbessert werden.

Die Jülicher Silizium-Mehrfachstapelsolarzelle ist speziell auf diese photoelektrochemische Wasserspaltung zugeschnitten. „Die besondere Schwierigkeit besteht darin, eine ausreichend hohe Photospannung zu erzeugen. In der Praxis sind etwa 1,6 Volt notwendig, um die Wasserspaltungsreaktion voranzutreiben. Mit gängigen kristallinen Siliziumsolarzellen, deren Photospannung deutlich unter einem Volt liegt, ist das nicht zu schaffen", erklärt Dr. Jan-Philipp Becker vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-5).

Die Solarmodule bestehen dagegen aus drei oder vier übereinander gestapelten Zellen, die ihrerseits aus mehreren Schichten aufgebaut sind. "Durch den mehrlagigen Aufbau lässt sich das Sonnenlicht-Spektrum, das über verschiedene Wellenlängen reicht, effizienter einfangen", erläutert Félix Urbain. "Gleichzeitig erhöht sich die Spannung auf bis zu 2,8 Volt und bietet damit sogar noch ausreichend Spielraum, um statt teurer Platinkatalysatoren auch weniger edle Metalle wie Nickel als Katalysator einzusetzen", so der Jülicher Doktorand, der die Module im Rahmen eines von der TU Darmstadt koordinierten DFG-Schwerpunktprogramms SolarH2 entworfen und hergestellt hat.

Silizium-Dünnschichtsolarzellen werden nicht wie kristalline Zellen aus einem Silizium-Wafer gefertigt. Die Schichten werden vielmehr im Vakuum mittels verschiedener Techniken auf ein Glas- oder Kunststoffsubstrat abgeschieden. "Die Dünnschichttechnologie bietet den Vorteil, dass sie mit deutlich weniger Material auskommt als die klassische Wafertechnologie, und sich die Halbleitermaterialien vergleichsweise kostengünstig großflächig aufbringen lassen", erklärt Dr. Friedhelm Finger, Leiter der Abteilung "Materialien und Solarzellen" am IEK-5. "Bei der Wasserstoffgewinnung zahlt sich dabei die höhere Spannung der Dünnschichtsolarzelle aus."

Doch bislang erreichten Silizium-Dünnschichtsolarzellen, die ohne spezielle Hochleistungs-Halbleitermaterialien auskommen, welche sich wiederum nur vergleichsweise kostenaufwendig prozessieren lassen, bei der Wasserstoffgewinnung nur einen Wirkungsgrad von 7,8 Prozent - ein Wert, den der neue Rekord von 9,5 Prozent nun deutlich übersteigt. "Unsere Tests zeigen, dass sich Silizium-Dünnschichtsolarmodule effizient zur Erzeugung von Wasserstoff einsetzen lassen. Gesamtwirkungsgrade von über 10 Prozent erscheinen durchaus machbar", schätzt Prof. Uwe Rau, Leiter des Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-5). Der nächste Schritt sei nun die Skalierung der Solarzellen auf größere Flächen.

Schema Stapelsolarzelle zur Wasserspaltung: An der Grenzfläche zwischen der mit einem Katalysator beschichteten Photokathode und einem wässrigen Elektrolyten wird durch Umwandlung des Sonnenlichts Wasserstoff erzeugt.© Forschungszentrum Jülich


Originalpublikation:

Multijunction Si photocathodes with tunable photovoltages from 2.0 V to 2.8 V for light induced water splitting. Félix Urbain, Vladimir Smirnov, Jan-Philipp Becker, Andreas Lambertz, Florent Yang, Jürgen Ziegler, Bernhard Kaiser, Wolfram Jaegermann, Uwe Rau, Friedhelm Finger Energy Environ. Sci., 2015 (first published online 05 Oct 2015), DOI: 10.1039/C5EE02393A

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