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Sonnenstrahlen auf einer Waldlichtung

Sonnenenergie chemisch speichern

Solarzellen wandeln Sonnenenergie in elektrischen Strom um. Mit einem neuen Ansatz wollen Forscher der Technischen Universität Wien Zellen entwickeln, die - ähnlich wie Pflanzen - die Energie des Lichts chemisch speichern. Ihnen ist nun ein wichtiger Schritt zur Realisierung solcher photochemischer Solarzellen gelungen.

Solarzellen 18.02.2016

Solarenergie gilt als einer der größten Hoffnungsträger auf dem Weg zu einer nachhaltigen und sauberen Energieversorgung. Während die Effizienz, mit der Solarzellen das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, schrittweise verbessert wird, wählte die Forschergruppe um Georg Brunauer vom Institut für Energietechnik und Thermodynamik der TU Wien einen anderen Zugang.

Die Studie in "Advanced Functional Materials":

"UV-Light-Driven Oxygen Pumping in a High-Temperature Solid Oxide Photoelectrochemical Cell" von Georg Christoph Brunauer et al., erschienen im Jänner 2016.

Sie wollen die Energie des Lichtes speichern. Man nutzt sie dafür, um Wassermoleküle in ihre chemischen Bestandteile aufzuspalten - und das in einer einzigen, kompakten Zelle.

Photochemische Zelle: Licht erzeugt freie Ladungsträger, Sauerstoff (blau) wird durch die Membran gepumpt.

TU Wien

Photochemische Zelle: Licht erzeugt freie Ladungsträger, Sauerstoff (blau) wird durch die Membran gepumpt

Der nun präsentierte Prototyp besteht im Wesentlichen aus zwei Schichten: einer oberen, photovoltaischen Schicht, die die elektrische Spannung erzeugt, und einer darunterliegenden Schicht, in der künftig die chemischen Prozesse ablaufen sollen.

"Zurzeit reicht die erzeugte Spannung noch nicht ganz aus, um tatsächlich Wasser zu spalten", erklärt Brunauer gegenüber der APA. "In unserer Studie zeigen wir aber, dass wir den entscheidenden Schritt zur chemischen Speicherung der Energie, nämlich die räumliche Trennung der Reaktionspartner, also Sauerstoff und Wasserstoff, auf diese Art realisieren können."

Konzentriertes Licht

Neben dem Materialsystem für das Zelldesign stellt der Abtransport der Reaktionspartner eines der Hauptprobleme bei der Entwicklung der neuen Solarzelle dar. Durch den raschen Abtransport des Sauerstoffs soll verhindert werden, dass sich sofort nach der Aufspaltung wieder Wassermoleküle bilden. Dieser Prozess läuft bei hohen Temperaturen rasch und effizient ab.

Da konventionelle Solarzellen jedoch nur bis zu Temperaturen von etwa 100 Grad Celsius gut funktionieren, musste zunächst ein geeignetes Material entwickelt werden. "Unsere Photovoltaikschicht auf Perovskit-Basis funktioniert bei Temperaturen von bis zu 500 Grad", so Brunauer. "Somit wäre es auch möglich, Anlagen zu bauen, die das Licht der Sonne etwa mit Spiegeln konzentrieren, um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen."

Die Wissenschaftler sind zuversichtlich, durch weitere Materialoptimierungen schon bald tatsächlich Wasser spalten zu können. Der Wasserstoff könnte dann etwa in Brennstoffzellen zur Produktion elektrischer Energie verwendet werden. Darüber hinaus wäre damit laut den Forschern auch der Weg für andere Formen der chemischen Speicherung geebnet. So wäre es etwa denkbar, in ein und derselben Zelle neben Wasser auch Kohlendioxid aufzuspalten und aus den gewonnenen Komponenten Kraftstoffe zu synthetisieren.

Für die Umsetzung eines Prototyps hat Brunauer unter anderem mit einem Industriepartner das Startup-Unternehmen NOVAPECC gegründet. Auch Patente wurden angemeldet.

science.ORF.at/APA

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