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UNIFORSCHUNG Wasserstoš aus Sonnenlicht Die TU Ilmenau hat bei der Erforschung neuer regenerativer Energien einen aus wissenschaftlicher Sicht spektakulären Durchbruch erzielt. Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Professor Thomas Hannappel steigerte den Wirkungsgrad bei der so genannten künstlichen Photosynthese von …, auf … Prozent. Dieses Ergebnis, veröšentlicht in der führenden Fachzeitschrift Nature Communications, ist ein bedeutender Schritt auf dem Weg zur Lösung der weltweiten Energieprobleme. Solarenergie ist zwar weltweit reichlich verfügbar, aber leider nicht immer und überall. Eine besonders interessante Speicherlösung ist die künstliche Photosynthese: Was jedes Blatt kann, nämlich Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln, das gelingt auch mit künstlichen Systemen auf Halbleiterbasis: Dabei spaltet die elektrische Leistung, die Sonnenlicht in einzelnen Halbleiterkomponenten erzeugt, Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff auf. Wasserstoff besitzt eine hohe Energiedichte, ist vielseitig verwendbar und könnte fossile Brennstoffe ersetzen. Zudem wird bei der Verbrennung von Wasserstoff kein klimaschädliches Kohlendioxid freigesetzt, sondern nur Wasser. Bisher scheitert die Herstellung von „Sonnen-Wasserstoff“ auf industrieller Ebene jedoch an den Kosten. Denn der Wirkungsgrad der künstlichen Photosynthese, also der Energiegehalt des Wasserstoffs bezogen auf den des Lichtes, ist immer noch zu gering, um wirtschaftlich solar erzeugten Wasserstoff zu produzieren. Die wichtigsten Wissenschaftsstandorte der Welt forschen daher daran, die seit 17 Jahren vom National Renewable Energy Laboratory in den USA gehaltene Bestmarke für künstliche Photosynthese von 12,4 Prozent zu toppen. | 34 UNI I 01 I 2016 Das ist jetzt einem Team der TU Ilmenau, des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB), des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE und des California Institute of Technology mit der Effizienzsteigerung auf 14 Prozent gelungen. Das Ergebnis, hervorgegangen aus der am Ilmenauer Fachgebiet Photovoltaik unter Leitung von Professor Thomas Hannappel und am HZB angefertigten ausgezeichneten Promotionsarbeit von Matthias May, wurde in Nature Communications* veröffentlicht. Die Grundbausteine der Entwicklung sind Tandemsolarzellen aus so genannten III-V-Halbleitern. Mit einem inzwischen patentierten photoelektrochemischen Verfahren ist es den Ilmenauer Wissenschaftlern gelungen, bestimmte Oberflächen dieser Halbleitersysteme so zu modifizieren, dass sie ihre Funktion bei der Wasserspaltung besser erfüllen. Auch bei der Langzeitstabilität wurden riesige Fortschritte erreicht. Anfänglich hielten die Proben nur wenige Sekunden durch, bevor ihre Leistung einbrach, nach rund einem Jahr Optimierung bleiben sie über 40 Stunden lang stabil. Weitere Schritte in Richtung Langzeitstabilität von 1000 Stunden sind schon in Vorbereitung. „Prognosen zeigen, dass die Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht mit Hocheffizienz-Halbleitern ab einer Effizienz von 15 Prozent wirtschaftlich konkurrenzfähig zu fossilen Energieträgern werden könnte“, sagt Professor Hannappel. „Wenn es jetzt noch gelingt, die Ladungsträger-Verluste an den Grenzflächen etwas stärker zu reduzieren, könnten wir sogar über 17 Prozent erreichen und damit einen wesentlichen Beitrag weg von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Energiequellen und nachhaltiger Energieerzeugung leisten.“ Mit modernster experimenteller Ausstattung hat sich die TU Ilmenau in den letzten Jahren eine einzigartige Expertise auf diesem Gebiet aufgebaut. Für ihren Ansatz gab es jüngst sogar Lob von Nobelpreisträger für Physik Herbert Krömer. Er schrieb aus dem US-amerikanischen Santa Barbara, er sei fasziniert, dass es der Gruppe gelungen sei, die Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Silizium und den III-V-Halbleitern zu kontrollieren. * May, M. M. et al. Efficient direct solar-to-hydrogen conversion by in situ interface transformation of a tandem structure. Nat. Commun. 6:8286 doi: 10.1038/ncomms9286 (2015) Der Leiter des Fachgebietes Photovoltaik der TU Ilmenau, Prof. Thomas Hannappel, leitete die Arbeiten. Fotos: Matthias May Foto: Richter Neuer Effizienzrekord bei der künstlichen Photosynthese Wasserstošgas aus Sonnenlicht: Mit der innovativen Rekordzelle wird Wasser durch Lichteinstrahlung mit höchster E›zienz direkt in seine Bestandteile Wasserstoš und Sauerstoš zerlegt.


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