17. Feb 2016

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

Beheizter Versuchsreaktor. ©Grafik: TU Wien

TU Wien: Die Kraft der Sonne chemisch gespeichert

(TU Wien) An der TU Wien wurde eine neuartige photo-elektrochemische Zelle entwickelt, mit der man die Energie von UV-Licht bei hohen Temperaturen chemisch speichern kann. Durch die Auswahl ganz spezieller Materialien gelang es, Hochtemperatur-Photovoltaik mit einem elektrochemischen Element zu kombinieren.


Die Natur macht es vor: Pflanzen können Sonnenlicht auffangen und chemisch speichern. Dieses Kunststück auf grosstechnischer Skala nachzumachen, gelingt uns heute aber noch nicht besonders gut. Photovoltaik wandelt das Licht direkt in Strom um, aber bei hohen Temperaturen nimmt der Wirkungsgrad konventioneller Solarzellen deutlich ab. Wenn man den Strom zur Gewinnung von Wasserstoff nutzt, kann man die Energie chemisch speichern, doch die Effizienz dieses Prozesses ist begrenzt.

An der TU Wien wurde nun ein neues Konzept entwickelt: Durch die Auswahl ganz spezieller Materialien gelang es, Hochtemperatur-Photovoltaik mit einem elektrochemischen Element zu kombinieren. Damit kann man UV-Licht nutzen, um Sauerstoffionen durch eine keramische Elektrolytmembran zu pumpen – so wird die Energie des UV-Lichts chemisch gespeichert. In Zukunft soll man mit dieser Methode Wasser mit Sonnenlicht direkt in Wasserstoff und Sauerstoff spalten können.

Hochtemperatur-taugliche Materialien
Schon als Student hatte Georg Brunauer immer wieder darüber nachgedacht, wie man Photovoltaik und elektrochemische Speicherung kombinieren könnte. Allerdings müsste ein solches System bei hohen Temperaturen funktionieren. „Dann könnte man nämlich das Licht der Sonne mit Spiegeln konzentrieren und grosse Anlagen mit hohem Wirkungsgrad bauen“, sagt Brunauer. Gewöhnliche Solarzellen funktionieren allerdings nur bis etwa 100°C gut – in einem Solarkonzentrator-Kraftwerk würden viel höhere Temperaturen entstehen.

Bei der Arbeit an seiner Dissertation gelang es Brunauer dann, einen Lösungsansatz für dieses Problem umzusetzen – und zwar mit einer ungewöhnlichen Wahl von Materialien. Anstatt silizium-basierter Photovoltaik wurden spezielle Mischmetalloxide vom Typ Perovskit verwendet. Durch die Kombination mehrerer verschiedener Metalloxide konnte eine Zelle hergestellt werden, die Hochtemperatur-Photovoltaik und Elektrochemie vereint. Neben dem Team von Prof. Karl Ponweiser, Brunauers Dissertationsbetreuer am Institut für Energietechnik und Thermodynamik, waren auch noch andere Forschungsgruppen der TU Wien am Projekt beteiligt: Das Elektrochemie-Team von Prof. Jürgen Fleig (Chemische Technologien und Analytik) sowie das Atominstitut der TU Wien.

Erst Spannung erzeugen, dann Ionen pumpen

„Unsere Zelle besteht aus zwei verschiedenen Teilen – nämlich aus einem oberen photoelektrischen und einen unteren elektrochemischen Teil“, sagt Georg Brunauer. „In der oberen Schicht werden durch Beleuchtung freie Ladungsträger erzeugt, genau wie in einer gewöhnlichen Solarzelle.“ Die Elektronen werden allerdings sofort wegtransportiert und auf die untere Seite der elektrochemischen Zelle geleitet. Das führt dazu, dass Sauerstoffatome dort negativ aufgeladen werden und dann durch die untere Schicht der Zelle hindurchwandern können.

„Das ist der entscheidende photoelektrochemische Schritt, der in weiterer Folge dann die Grundlage für Wasserzerlegung und Wasserstoffproduktion sein soll“, erklärt Brunauer. Die Vorstufe dazu – eine mit UV-Licht angetriebene Sauerstoff-Pumpe, funktioniert bereits und liefert bei 400°C eine Leerlaufspannung von bis zu 920 Millivolt.

Die Arbeiten zur Photo-elektrochemischen Festoxidzelle wurden nun im Fachjournal „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht. Damit ist die Forschung freilich noch nicht abgeschlossen: „Weiterführende Arbeiten sind wichtig, um den Effekten phänomenologisch auf den Grund zu gehen und damit das Material noch weiter optimieren zu können“, sagt Brunauer. Wenn die elektrische Leistung noch etwas gesteigert wird, lässt sich mit der Zelle Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. „Dieses Ziel ist in Griffweite, jetzt wo wir bewiesen haben, dass das Grundprinzip funktioniert“, sagt Georg Brunauer. Nicht nur zur Wasserstoffproduktion eignet sich das neue Konzept; man könnte auch CO2 aufspalten und daraus CO in Hinblick für Kraftstoffsynthesen gewinnen.

Patente und Firmengründung
Damit die neue Erfindung den Sprung vom Universitätslabor in die Umsetzung eines Prototyps schafft, hatte Georg Brunauer unteranderem mit einem Industriepartner das Startup-Unternehmen NOVAPECC gegründet. Gemeinsam mit der TU Wien wurden Patente angemeldet, dabei wurde Brunauer vom Forschungs- und Transfersupport der TU Wien unterstützt. Auch vom Inkubatorprogramm INiTS wurdr das Projekt unterstützt. Gefördert wurde das Projekt ausserdem durch ein Brückenschlagprogramm der Forschungsförderungsgesellschaft FFG.

Originalpublikation:

Text: Institut für Energietechnik und Thermodynamik, Technische Universität Wien

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