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HZwei - Herstellung von Wasserstoff durch Sonnenenergie

Fachbericht | Wörter: 1110 | Aufrufe: 29747 | Druckbare Version

Herstellung von Wasserstoff durch Sonnenenergie

ODB-Tec entwickelt neuartige photoelektrochemische Solarzelle

Die solare Wasserstoffwirtschaft soll die Rettung bringen: die direkte Herstellung von Wasserstoff mit Hilfe von Sonnenenergie. Bisher war dies allerdings lediglich eine Vision, die jetzt jedoch Wirklichkeit werden könnte. Eine neue photoelektrochemische Solarzelle von der Firma ODB-Tec könnte den Durchbruch bringen. Diese neuartige Zelle erzeugt gasförmigen Wasserstoff aus Sonnenlicht und könnte als Solarwasserstoffanlage der Zukunft die autarke Energieversorgung von Einfamilienhäusern ermöglichen.

Im Jahr 1972 präsentierten Honda und Fujishima in Nature [1] einen Aufbau einer photoelektrochemischen Zelle, die durch Lichteinstrahlung Wasser zersetzen konnte. Honda und Fujishima nutzten dabei einen reinen Titandioxidkristall, der über eine äußere Leitung mit einer Platinelektrode verbunden war. Durch Bestrahlung des Kristalls mit einer 500 Watt Xenon-Bogenlampen-Lampe wurde per Photoelektrolyse der Elektrolyt Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Der Wirkungsgrad dieser Zelle war mit 0,1 % allerdings sehr gering.


Beispielhafter Aufbau einer Zelle mit einem Pt/TiO2-Elektrodenpaar

Neue Vorrichtung und Herstellung

Die Firma ODB-Tec GmbH & Co. KG aus Monheim am Rhein entwickelt momentan auf Basis dieser Grundlagen von Honda und Fujishima eine Solarzelle, die Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht zersetzt – jetzt allerdings mit einem weitaus höheren Wirkungsgrad. Dieses neuartige patentierte Konzept [2] besteht aus einer Photoelektrode, die direkt mit der Gegenelektrode kontaktiert ist. Das Elektrodenpaar befindet sich in einer Reaktionskammer, die mit einem Elektrolyten gefüllt ist (s. Abb. 2). Durch das Einstrahlfenster kann das Sonnenlicht in die Zelle einfallen.


Modellsystems solch einer photoelektrochemischen Solarzelle im Querschnitt

Die erste Elektrode besteht aus einem dotierten Halbleiter, die zweite Elektrode aus einem Metall. Vorliegend besteht die erste Elektrode aus einem n-dotierten plattenförmigen TiO2(110)-Kristall und die zweite Elektrode ist eine einseitig auf den TiO2-Kristall aufgedampfte Platinschicht. Somit entsteht ein flächiger Kontakt zwischen den beiden Elektroden. Das Elektrodenpaar ist derart in der Zelle angeordnet, dass die nichtbedampfte Oberfläche der ersten Elektrode durch das in die Zelle einfallende Licht bestrahlt wird. Die Zelle wird durch das Elektrodenpaar in einen anodischen und einen kathodischen Bereich geteilt, die flüssigkeitsleitend miteinander verbunden sind.

An der Grenzfläche zwischen der ersten Elektrode und dem Elektrolyten kommt es im n-dotierten TiO2-Kristall durch Abwanderung von Elektronen in den Elektrolyten zur Ausbildung eines elektrischen Feldes. Gleichzeitig besteht ein Schottky-Kontakt mit einer niedrigen Barrierenhöhe an der Grenzschicht zwischen dem Halbleiter und der aufgedampften Platinschicht. Wird die Oberfläche der ersten Elektrode nun durch Licht mit einer Energie (E = h ν) bestrahlt, die ausreicht, um die Halbleiterbandlücke zu überbrücken, bilden sich im gesamten Halbleiterkristall der ersten Elektrode Elektron-Lochpaare.

TiO2 + hν → TiO2 + e- + h+ mit h+ = positiv geladenes Loch, Defektelektron

Während die Elektron-Lochpaare fast im gesamten Kristall durch Rekombination wieder verschwinden, werden die Elektronen von den Löchern im Bereich der Grenzschicht, wo das elektrische Feld wirkt, getrennt. Die Elektronen fließen durch das Leitungsband des Halbleiters in Richtung der zweiten Elektrode ab. Die an der Grenzschicht verbleibenden Löcher oxidieren dort die in den Wassermolekülen enthaltenen Sauerstoffionen zu gasförmigem Sauerstoff gemäß folgender Reaktionsgleichung:

H2O + 2 h+ → ½ O2 + 2 H+

Die Elektronen hingegen passieren die Grenzschicht zwischen erster und zweiter Elektrode und reduzieren an der Grenzschicht der zweiten Elektrode am Elektrolyten die Wasserstoffionen beziehungsweise Oxonium-Ionen (H3O+) zu gasförmigem Wasserstoff:

2 H+ + 2 e- → H2

Dazu müssen die Wasserstoffionen, die sich mit neutralen Wassermolekülen zu positiv geladenen Oxonium-Ionen verbinden, durch den Elektrolyten zur Grenzschicht wandern, was aufgrund der flüssigkeitsleitenden Verbindung zwischen den Kammern ohne weiteres möglich ist. Die für die Reaktion benötigten Oxonium- und Hydroxid-Ionen entstammen der Autoprotolyse des Wassers, bei der ein Proton (H+) von einem Wassermolekül auf ein anderes übergeht. Die Gesamtreaktion der Photoelektrolyse von Wasser lautet:

H2O + 2 hν → H2 + ½ O2

Das durch die photoelektrochemische Reaktion gebildete Wasserstoff- sowie das Sauerstoffgas können getrennt über jeweilige Auslassöffnungen aus der Zelle entnommen und in Gasspeicher geleitet werden. Dabei ist, wie in Abbildung 1 erkennbar, eine Vermischung der Gase ausgeschlossen, und man erhält sehr reine Gase.

praxisrelevante Elektrodenpaare

Neben dem Modellsystem Pt/TiO2 werden bei der Firma ODB-Tec noch weitere praxisrelevante Elektrodenpaare für die photoelektrochemische Elektrolyse entwickelt. Es werden zum Beispiel mesoporöse Titanoxidfilme (zur Vergrößerung der Elektrodenoberfläche) auf Metallfolien und entgegengesetzt dotierte verbundene Metalloxidhalbleiter (mit unterschiedlichen Dotierdichten) für die Nutzung in diesen photoelektrochemischen Zellen untersucht.


Bändermodell einer Zelle mit einem Elektrodenpaar

An den Grenzschichten Elektrolyt / n-Halbleiter, pn-Übergang und p-Halbleiter / Elektrolyt bildet sich jeweils ein elektrisches Feld, was über das gesamte Elektrodenpaar zu einer treppenartigen Bandverbiegung führt. Im Bereich der Felder können durch die einfallende Strahlung gebildete Elektron-Lochpaare in der oben beschriebenen Weise aufgetrennt werden, wobei die Elektronen zur Oberfläche des n-Halbleiters und die Löcher zur Oberfläche des p-Halbleiters wandern. Die erzeugte Photospannung kann wiederum zur Elektrolyse von Wasser genutzt werden.

Die entscheidende technische Ausprägung für den zuverlässigen Ablauf dieser photoelektrochemischen Reaktion ist in der direkten Kontaktierung der beiden Elektroden ohne Zwischenschaltung eines elektrischen Leiters (z. B. Kupferdraht oder Lastwiderstand) begründet. Außerdem spielen die Dotierdichten der Photoelektroden, die Elektrolyteigenschaften, die Nano-Strukturierung der Elektrodenoberflächen und die optischen Eigenschaften der Einzelkomponenten eine entscheidende Rolle bei der Effizienz der Elektrolyse.

Anwendungsbeispiele

Wie experimentelle Studien gezeigt haben, lässt sich mit der photoelektrochemischen Solarzelle die Produktion von Wasserstoffgas aus einem Elektrolyten auch im Dauerbetrieb erzielen. Diese neue Solarzelle (s. Abb. 1) ist zur Herstellung von Wasserstoff für kleine Einheiten (z. B. Einfamilienhäuser) als ökologische und ökonomische Alternative zu herkömmlichen zumeist fossilen Energieträgern einsetzbar. Die Zelle ermöglicht zuverlässig und reproduzierbar die Produktion von gasförmigem Wasserstoff in einer photoelektrochemischen Reaktion und zeichnet sich durch einen besonders einfachen und sehr günstigen - für eine industrielle Serienherstellung geeigneten - Aufbau aus.

Es ist beabsichtigt, die Solarzelle sowohl als Stand-alone-System als auch mit einer herkömmlichen Solaranlage (d.h. eine Hybridzelle) kombiniert herzustellen. Der Vorteil bei einer Kombination mit einer Solaranlage liegt darin, dass der niederenergetische Anteil des Sonnenlichts (infrarote Strahlung) von der Solaranlage in Wärme und der hochenergetische Anteil (sichtbare und ultraviolette Strahlung) zusätzlich durch die photoelektrochemische Elektrolyse in Wasserstoff gespeichert werden können. In einem zweijährigen Projekt mit der Universität Düsseldorf und einem regionalen Maschinenbau-Unternehmen soll die Marktreife dieser photoelektrochemischen Solarzelle erreicht werden.

Hintergrund: Photoelektrolyse

Bestrahlt man einen Halbleiter mit Photonen, dessen Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters ist, so werden die Photonen absorbiert und Elektron-Loch-Paare werden im Halbleiter erzeugt. Wird der Halbleiter mit einem Metall oder einem Halbleiter beschichtet, so kann sich unter gewissen Umständen zwischen diesen Elektroden eine Photospannung aufbauen. Befindet sich darüber hinaus dieses Elektrodenpaar in einem Elektrolyten und die erzeugte Photospannung ist etwas größer als die Zersetzungsspannung des Elektrolyten, so kann es zur Photoelektrolyse kommen.

Quellen:
[1] K. Honda und A. Fujishima, Nature Vol. 238, S.37-38
[2] Patentschrift „Photoelektrochemische Reaktionszelle und Vorrichtung zur Umsetzung von Lichtenergie mit dieser Reaktionszelle“, DE 10 2004 012 303 B3
[3] http://www.ub.uni-duesseldorf.de/home/etexte/diss/show?dissid=1259

Autor: Dieter Ostermann
Dr. Dieter Ostermann, ODB-Tec GmbH & Co. KG, Monheim am Rhein
dieter.ostermann@odb-tec.de, www.odb-tec.de

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Bericht erschienen in der HZwei, August 2006, S. 16

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