Solarenergie mit Rost speichern

Lausanne (Schweiz) – Weltweit wird mit Hochdruch daran geforscht, wie sich Solarenergie am besten speichern lässt. Eine besonders kostengünstige Methode dafür haben jetzt Wissenschaftler mithilfe von Wasserstoff und Rost entwickelt. Mit dem Eisenoxid senkten sie drastisch die Kosten eines Prozesses, der über eine Solarzelle Wasserstoff erzeugt. Daraus kann später Strom oder Wärme gewonnen werden. Darüber hinaus entwickelten sie eine flexibel anpassbare Herstellungsmethode für solche Module. Der noch geringe Wirkungsgrad soll sich deutlich steigern lassen, schreiben die Forscher im Fachblatt „Nature Photonics“.

Eine rötlich transparente, rechteckige Solarzelle, die zwischen Daumen und Zeigefinger passt.
Photoelektrische Solarzelle

Rost, also Eisenoxid, sei ein sehr stabiles und reichlich vorhandenes Material, erklärt Kevin Sivula von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL). Allerdings ist es in Rohform einer der schlechtesten Halbleiter, so dass Sivula und Kollegen ihn zunächst optimierten. Mit nun verbesserten elektrochemischen Eigenschaften weist er nanometerfeine Oberflächenstrukturen auf, ist mit Siliziumoxid versetzt und mit einer hauchdünnen Schicht Aluminium- und Kobaltoxid versehen. Diese Behandlung ist leicht zu bewerkstelligen, berichtet Sivula: „Wir mussten einen simplen Aufbereitungsprozess entwickeln, wie den, das Material einfach einzutauchen oder anzustreichen.“

Der Rost ist damit ein wichtiger Bestandteil einer sogenannten photoelektrochemischen Solarzelle. Sie erzeugt in einer einzigen, völlig unabhängig arbeitenden Einheit Elektronen aus Sonnenlicht und spaltet mit deren Energie Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff. Für den lichtumwandelnden Teil seiner Vorrichtung nutzte das Team eine ebenfalls sehr günstig herzustellende Grätzel-Zelle. Diesen Typ organischer Solarzellen, die mit einer Farbstoffschicht etwa aus natürlichem Chlorophyll arbeiten, hatte der auch am aktuellen Projekt beteiligte EPFL-Forscher Michael Grätzel vor 20 Jahren entwickelt. Eine Schicht aus Halbleitermaterial nutzt dann die Elektronen aus der Grätzel-Zelle zum Wasserspalten. Bislang galt allerdings der Gegensatz von Kosten und Effizienz: Einen hohen Wirkungsgrad erreichen nur teure und komplexe Halbleiter, günstige Halbleiter wie Oxide liefern nur einen Wirkungsgrad von bis zu 0,3 Prozent.

Mit ihrem Prototypen um eine Photoanode aus Eisenoxid erreichten Sivula und Kollegen jedoch einen Wirkungsgrad zwischen 1,4 und 3,6 Prozent. Im Vergleich zu teureren Systemen ist dies bescheiden, doch eine Steigerung auf bis zu 16 Prozent in den kommenden Jahren sei möglich, so die Forscher. Dann wäre ein Quadratmeter der Technik für rund 60 Euro herzustellen. „Ein US-Team hat gerade einen eindrucksvollen Wirkungsgrad von 12,4 Prozent erreicht – das System ist theoretisch sehr interessant, doch damit würde eine Oberfläche von zehn Quadrat-Zentimetern 7.800 Euro kosten“, erklärt Sivula.