Rekordverdächtiges Solar-Wasserstoff-Gerät: Sonnenlicht in saubere Energie umwandeln.

Ingenieure der Rice University haben ein Gerät entwickelt, das Sonnenlicht mit beispielloser Effizienz in Wasserstoff umwandeln kann. Das Gerät, eine photoelektrochemische Zelle, enthält Halogenid-Perowskit-Halbleiter und Elektrokatalysatoren der nächsten Generation. Es stellt eine potenzielle Plattform für chemische Reaktionen dar, bei denen Sonnenenergie genutzt wird, um Ausgangsstoffe in Kraftstoffe umzuwandeln. (Künstlerische Darstellung.)

Neuer Standard für grüne Wasserstofftechnologie, von Ingenieuren der Rice University gesetzt.

Ingenieure der Rice University können Sonnenlicht mit rekordverdächtiger Effizienz in Wasserstoff umwandeln, dank eines Geräts, das Halogenid-Perowskit-Halbleiter der nächsten Generation mit Elektrokatalysatoren in einem einzigen, langlebigen, kostengünstigen und skalierbaren Gerät kombiniert.

Die neue Technologie ist ein bedeutender Fortschritt für saubere Energie und könnte als Plattform für eine breite Palette chemischer Reaktionen dienen, bei denen solar gewonnener Strom genutzt wird, um Ausgangsstoffe in Kraftstoffe umzuwandeln.

Das auf chemische und biomolekulare Technik spezialisierte Labor von Aditya Mohite war federführend beim Bau dieses integrierten Photoreaktors. Ein Schlüsselelement im Design des Geräts ist eine Korrosionsschutzbarriere, die den Halbleiter effektiv vor Wasser schützt, ohne den Elektronentransfer zu behindern. Wie in einer in Nature Communications veröffentlichten Studie berichtet wird, weist das Gerät eine beeindruckende Umwandlungseffizienz von 20,8 % von Solarenergie in Wasserstoff auf.

Ein von der Mohite-Forschungsgruppe der Rice University und Mitarbeitern entwickelter Photoreaktor erreichte eine Umwandlungseffizienz von 20,8 % von Solarenergie in Wasserstoff. Bildnachweis: Gustavo Raskosky/Rice University

Austin Fehr, Doktorand der Chemie- und Biomolekulartechnik und einer der Hauptautoren der Studie, betonte die Bedeutung dieser Arbeit. „Die Nutzung von Sonnenlicht als Energiequelle zur Herstellung von Chemikalien ist eine der größten Hürden für eine saubere Energiewirtschaft. Unser Ziel ist es, wirtschaftlich machbare Plattformen zu bauen, die solar gewonnene Kraftstoffe erzeugen können. Hier haben wir ein System entwickelt, das Licht absorbiert und die elektrochemische Wasserspaltung auf seiner Oberfläche durchführt.“

Das Gerät ist als photoelektrochemische Zelle bekannt, da die Absorption von Licht, seine Umwandlung in Elektrizität und die Verwendung der Elektrizität zur Energieerzeugung für eine chemische Reaktion alle im selben Gerät stattfinden. Bislang wurde die Verwendung photoelektrochemischer Technologie zur Erzeugung von grünem Wasserstoff durch niedrige Wirkungsgrade und die hohen Kosten von Halbleitern behindert.

Serie von vier Standbildern aus einem Beispielvideo, das zeigt, wie ein Photoreaktor der Rice University Wassermoleküle spaltet und Wasserstoff erzeugt, wenn er durch simuliertes Sonnenlicht angeregt wird. Bildnachweis: Mohite Lab/Rice University

Fehr erklärte die Besonderheit ihrer Erfindung: „Alle Geräte dieser Art erzeugen grünen Wasserstoff nur durch Sonnenlicht und Wasser, aber unseres ist außergewöhnlich, weil es einen rekordverdächtigen Wirkungsgrad hat und einen Halbleiter verwendet, der sehr billig ist.“

Das Mohite Lab und seine Mitarbeiter entwickelten das Gerät, indem sie ihre äußerst wettbewerbsfähige Solarzelle in einen Reaktor verwandelten, der die gewonnene Energie nutzen konnte, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Die Herausforderung, die sie bewältigen mussten, bestand darin, dass Halogenidperowskite in Wasser extrem instabil sind und Beschichtungen, die zur Isolierung der Halbleiter verwendet wurden, letztendlich entweder ihre Funktion störten oder sie beschädigten.

Ayush Agrawal (von links), Faiz Mandani und Austin Fehr. Bildnachweis: Gustavo Raskosky/Rice University

„In den letzten zwei Jahren haben wir verschiedene Materialien und Techniken ausprobiert“, sagte Michael Wong, Chemieingenieur bei Rice und Co-Autor der Studie.

Nachdem langwierige Versuche nicht das gewünschte Ergebnis erbracht hatten, fanden die Forscher schließlich eine überzeugende Lösung.

„Unsere wichtigste Erkenntnis war, dass die Barriere zwei Schichten benötigt, eine, um das Wasser abzuhalten, und eine, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Perowskitschichten und der Schutzschicht herzustellen“, sagte Fehr. „Unsere Ergebnisse sind die höchste Effizienz für photoelektrochemische Zellen ohne Solarkonzentration und die beste insgesamt für solche, die Halogenid-Perowskit-Halbleiter verwenden.

Michael Wong ist Tina- und Sunit-Patel-Professor für Molekulare Nanotechnologie an der Rice University, Vorsitzender und Professor für chemische und biomolekulare Technik sowie Professor für Chemie, Materialwissenschaft und Nanotechnologie sowie Bau- und Umweltingenieurwesen. Bildnachweis: Michael Wong/Rice University

„Dies ist eine Premiere für ein Gebiet, das historisch von unerschwinglich teuren Halbleitern dominiert wurde, und könnte zum ersten Mal überhaupt einen Weg zur kommerziellen Machbarkeit dieser Art von Geräten darstellen“, sagte Fehr.

Aditya Mohite ist außerordentlicher Professor für chemische und biomolekulare Technik und Fakultätsdirektor der Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability (REINVENTS). Bildnachweis: Aditya Mohite/Rice University

Die Forscher zeigten, dass ihr Barrieredesign für unterschiedliche Reaktionen und mit unterschiedlichen Halbleitern funktionierte und somit auf viele Systeme anwendbar ist.