Künstliche Photosynthese

Die Zeit der kleinteiligen Laborexperimente liegt hinter den Forschern: Jülicher Wissenschaftler präsentieren erstmals eine komplette Anlage zur künstlichen Photosynthese. Das Konzept ist flexibel, sowohl bei den verwendeten Materialien als auch bei der Größe des Systems – mit verbessertem Wirkungsgrad steht der praktischen Anwendung bald nichts mehr im Weg.

Energie zu gewinnen und langfristig zu speichern, ist eine der größten Herausforderungen der Menschheit. Denn von verfügbarer Energie hängen unsere heutigen Gesellschaften maßgeblich ab. Eine besonders Ressourcen-schonende Energiequelle ist das Sonnenlicht. Alle grünen Pflanzen, Algen und Cyanobakterien gewinnen Energie, indem sie mit Hilfe von Sonnenlicht aus Wasser und CO₂ Zucker und Sauerstoff herstellen – ein Prozess der uns als „Photosynthese“ bekannt ist.

Photosynthese: ein wenig effizienter Prozess

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Bereits vor 3 Milliarden Jahren entstanden auf der Erde die ersten Ansätze der Photosynthese. Vor 2 bis 1,5 Milliarden Jahren war die Photosynthese schon voll entwickelt. Doch bis heute ist sie ein eher ineffizienter Prozess: In der Natur, wo diffuses und direktes Sonnenlicht in verschiedenen Wellenlängen auf das Blatt trifft, wandelt eine Pflanze etwa ein bis zwei Prozent der Lichtenergie in chemische Energie um. Bestrahlt man Pflanzen im Labor hingegen mit dem für sie optimalen roten Licht mit Wellenlängen von 680 und 700 nm, liegt der Nettowirkungsgrad der Photosynthese bei immerhin 30 Prozent.

Sonnenenergie in Wasserstoff umwandeln und speichern

Fossile Energieträger wie Gas und Öl werden in den nächsten Jahrzehnten zuneige gehen, während die Weltbevölkerung weiter anwächst und der Energiebedarf steigen wird. Gleichzeitig sind diese, vor Jahrmillionen aus Pflanzen, Algen und Mikroorganismen gebildeten, fossilen Ressourcen maßgeblich für die menschgemachten Treibhausgasemissionen verantwortlich und eine Ursache für den globalen Klimawandel. Allein mit erneuerbaren Energiequellen wie Geothermie, Wind- und Wasserkraft wird jedoch der Energiebedarf nicht in allen Teilen der Erde zu decken sein. Eine besonders nachhaltige und umweltverträgliche Art der Energiegewinnung und –speicherung ist die photoelektrochemische Wasserstoffspaltung. Sie ist eine Kombination aus künstlicher Photosynthese, Solarzelle und Elektrolyseur. Mit ihr lässt sich die Energie der Sonne direkt in das universale Speichermedium Wasserstoff umwandeln.

Bisheriger Forschungsfokus: Materialoptimierung

Zum ersten Mal in den 1970ern erforscht, gewinnt die photoelektrochemische Wasserstoffspaltung in den letzten Jahren immer größeres Interesse. Bisher liegt der Fokus der Forschung auf der Materialwissenschaft: Neue Absorbermaterialien und Katalysatoren sollen den Wirkungsgrad weiter erhöhen.

Im Forschungszentrum Jülich haben Wissenschaftler nun einen weiteren wichtigen Aspekt der künstlichen Photosynthese optimiert. "Die photoelektrochemische Wasserspaltung wurde bis jetzt immer nur im Labormaßstab getestet", erklärt der Jülicher Solarzellenforscher Burga Turan. "Die einzelnen Komponenten und Materialien wurden verbessert, aber keiner hat wirklich versucht, näher an eine wirkliche Anwendung zu kommen."

Kompakt, komplett und erweiterbar

Das neu etablierte Geräte-Design unterscheidet sich deutlich von den üblichen Laborexperimenten. Statt wie sonst üblich fingernagelgroßer einzelner Komponenten, die untereinander mit Drähten verbunden sind, entwickelten die Jülicher Energie- und Klimaforscher ein kompaktes, in sich geschlossenes System. Das Praktische daran: Aller Materialien sind leicht verfügbar und dazu kostengünstig – ein maßgeblicher Aspekt für die Serienproduktion einer solchen Anlage.

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Flexible Design: Ständige Wiederholung der Basiseinheit

Mit einer Fläche von 64 Quadratzentimetern wirkt das Bauelement zur photoelektrochemischen Wasserstoffspaltung zwar noch immer relativ klein. Der Trick ist jedoch das flexible Design: Durch die ständige Wiederholung der Basiseinheit lassen sich künftig auch quadratmetergroße Systeme herstellen. Die Basiseinheit wiederum besteht aus mehreren Solarzellen, die durch eine spezielle Lasertechnik miteinander verschaltet sind. "Durch diese Serienverschaltung erreicht jede Einheit die für die Wasserstoffgewinnung nötige Spannung von 1,8 Volt", so Jan-Philipp Becker, einer der beteiligten Solarzellenforscher.

"Im Gegensatz zu den bislang in Laborexperimenten üblichen Konzepten zur Aufskalierung erlaubt diese Methode eine höhere Effizienz." Gegenüber der natürlichen Photosynthese haben die Wissenschaftler den Wirkungsgrad der Anlage mit einer Sonne-zu-Wasserstoff-Effizienz von 3,9 Prozent zwar schon verbessert, Luft nach oben bleibt aber durchaus noch. Auf bis ungefähr zehn Prozent könnte man mit dem Jülicher Design in relativ kurzer Zeit und unter Verwendung bekannter Solarzellenmaterialien kommen, so Jan-Philipp Becker.

Neues Hybridmaterial für höhere Wirkungsgrade

Aber es gibt auch andere Ansätze. Zum Beispiel Perowskit, ein neuartiges Hybridmaterial, mit dem man jetzt schon Wirkungsgrade bis zu 14 Prozent erreichen könnte. "Das ist einer der großen Pluspunkte des neuen Designs. Es erlaubt die unabhängige Optimierung der beiden Hauptkomponenten: des photovoltaischen Teils, der Strom aus Sonnenergie gewinnt, und des elektrochemischen Teils, der diesen Strom zur Wasserspaltung einsetzt." Das patentierte Konzept der Jülicher Forscher ist flexibel: Es ist für jede Dünnschicht-Photovoltaik-Technologie anwendbar und für verschiedene Elektrolysearten. "Wir arbeiten zum ersten Mal in Richtung Markteinführung", erklärt Becker. "Wir haben die Grundlagen dafür geschaffen, wie das überhaupt aussehen könnte."