{"id":53304,"date":"2013-10-17T00:00:00","date_gmt":"2013-10-16T22:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/energie\/licht-an-fuer-den-wasserstoff.html"},"modified":"2013-10-17T00:00:00","modified_gmt":"2013-10-16T22:00:00","slug":"licht-an-fuer-den-wasserstoff","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/energie\/licht-an-fuer-den-wasserstoff\/","title":{"rendered":"Licht an f\u00fcr den Wasserstoff"},"content":{"rendered":"

Mehrere japanische Autobauer haben f\u00fcr 2015 umweltfreundliche Wasserstoff-Fahrzeuge angek\u00fcndigt. Doch f\u00fcr solche mit Brennstoffzellen ausger\u00fcsteten Elektroautos wird Wasserstoff ben\u00f6tigt. Berliner Forscher entwickeln derzeit eine besondere Art von Solarzelle, die Wasserstoff direkt aus Wasser gewinnen kann. Wasserstoff gilt zudem als der beste Speicher f\u00fcr die Energiewende, denn Wind und Sonne sind nicht gleichm\u00e4\u00dfig verf\u00fcgbar. <\/p>\n

\u201eNoch ist solch ein Photoelektrolyseur eine Vision, zu der wir mit unseren<\/p>\n

grundlegenden Arbeiten beitragen m\u00f6chten\u201c, sagt Lutz Geelhaar vom Paul-Drude-Institut f\u00fcr Festk\u00f6rperelektronik (PDI)<\/a>. Sonnenfarmen zur direkten Erzeugung von Wasserstoff h\u00e4tten den Vorteil, dass er im Prinzip wie Erdgas gehandhabt werden kann. Wasserstoff l\u00e4sst sich in Tanks speichern oder \u00fcber Pipelines verteilen. Das Gas\u00a0 k\u00f6nnte zum entscheidenden Speicher f\u00fcr die k\u00fcnftige Energiewirtschaft werden. Bislang wird es meist aus fossilen Quellen wie Erdgas gewonnen.<\/p>\n

Der Halbleiterphysiker warnt allerdings vor \u00fcbereilten Erwartungen: \u201eDas ist\u00a0 Grundlagenforschung, das kann man in drei Jahren noch nicht kaufen.\u201c<\/p>\n

Aber ein wenig tr\u00e4umen darf auch ein Wissenschaftler. Gemeinsam mit seinem japanischen Kollegen Jumpei Kamimura und anderen Wissenschaftlern verfolgt Geelhaar das Ziel, die Grundlagen f\u00fcr ein\u00a0 k\u00fcnstliches Blatt zu schaffen. So wie am Baum mit der Energie aus dem\u00a0 Sonnenlicht in Bl\u00e4ttern Biomasse erzeugt wird, so soll das k\u00fcnstliche Blatt Wasser direkt in Wasserstoff\u00a0 und Sauerstoff aufspalten.<\/p>\n

Die Solarzelle befindet sich dazu in einem Wasserbad, in das Sonnenlicht scheinen kann. Idealerweise sollten die Gase nicht gemischt entstehen \u2013 das w\u00e4re hochexplosives Knallgas \u2013 sondern getrennt. \u201eWirklich interessiert sind wir am Wasserstoff\u201c, sagt PDI-Forscher Geelhaar. \u201eDas ist das, was mit dem Oberbegriff solarer Brennstoff bezeichnet wird.\u201c<\/p>\n

Die Bindung zwischen Wasserstoff und Sauerstoff geh\u00f6rt zu den energiereichsten \u00fcberhaupt. Umgekehrt k\u00f6nnen aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff wieder gro\u00dfe Energiemengen zur\u00fcckgewonnen werden. Das Ganze ist zudem sehr umweltfreundlich, denn es entsteht ja nur Wasser.<\/p>\n

Die direkte Abspaltung von Wasserstoff unter Lichteinfall war 1970 von japanischen Forschern erstmals beobachtet worden. Der nach ihnen benannte Honda-Fujishima-Effekt besch\u00e4ftigt seitdem die Wissenschaftler. Denn die Entdeckung gelang mit Titandioxid, ein Material, das beispielsweise vielen Zahnpasten die wei\u00dfe Farbe verleiht. Und genau da liegt die Crux, Titandioxid absorbiert kaum\u00a0 Licht, die Wasserstoffausbeute ist extrem gering.<\/p>\n

\u201eWir haben deshalb nach dunklen Halbleitermaterialien gesucht, die durch Umwandlung von Sonnenlicht genau die Energiemenge im Kontakt mit Wasser \u00fcbertragen k\u00f6nnen, durch die Wassermolek\u00fcle aufgespalten werden\u201c, berichtet Kamimura. Und diese Zelle sollte nat\u00fcrlich \u00fcber Jahre stabil funktionieren: \u201eEs gibt Materialien, die die Wasserspaltung phantastisch gut hinbekommen, aber schon nach einer Minute kaputt gehen.\u201c<\/p>\n

Ihre Erfahrungen bei der Entwicklung von Leuchtdioden zahlten sich f\u00fcr\u00a0 Geelhaar und Kamimura aus.\u00a0 Die gemeinsamen Messungen mit Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zeigten, dass das von ihnen entwickelte Material basierend auf\u00a0 Indium-Gallium-Nitrid als Elektrode f\u00fcr die Wasserstofferzeugung aus Sonnenlicht besonders vielversprechend ist; es arbeitet effizient und stabil.\u00a0 Indium-Gallium-Nitrid ist ein Halbleiter, der auch in Laserdioden eingesetzt wird, die den Spektralbereich von gr\u00fcn bis zum nahen ultraviolett abdecken. Sie werden beispielsweise in der Beleuchtungstechnik oder zum Abspielen von\u00a0 Blue-ray-Discs eingesetzt.<\/p>\n

Durch unterschiedlich\u00a0 gro\u00dfe Anteile von Galliumnitrid und Indiumnitrid kann Licht mit verschiedenen Wellenl\u00e4ngen abgegeben (Wandlung von elektrischer Energie in Licht) oder \u2013 in der Solarzelle (Lichtenergie in elektrische Energie) \u2013 aufgenommen werden. So kann etwa in Solarzellen ein gr\u00f6\u00dferer Spektralbereich des Sonnenlichts eingefangen werden.<\/p>\n

Doch ganz so einfach macht es die Natur den Wissenschaftlern nicht. Da gab es zun\u00e4chst einen ziemlichen Haken. \u201eWir ben\u00f6tigen f\u00fcr die Z\u00fcchtung der Kristallschicht\u00a0 eine Unterlage, die im Kristallgitter \u00e4hnlich ist\u201c, erl\u00e4utert Geelhaar. \u201eF\u00fcr das Indium-Gallium-Nitrid gibt es leider keine Unterlage, die diese Bedingung erf\u00fcllt.\u201c<\/p>\n

Kamimura\u00a0 ignorierte\u00a0 das\u00a0 unpassende Kristallgitter und machte trickreiche Versuche in der Molekularstrahlepitaxie-Anlage\u00a0 des Paul-Drude-Instituts. Dabei werden in einem Ultrahochvakuum Strahlen aus Indium- und Gallium-Atomen sowie Stickstoff-Radikalen auf eine Unterlage \u2013 in diesem Fall Silizium \u2013 gerichtet. Durch Steuerung der Temperaturen in den Verdampfertiegeln k\u00f6nnen verschiedene Strukturen und Zusammensetzungen erzeugt werden.<\/p>\n

Schlie\u00dflich\u00a0 lie\u00df sich das Kristallgitter doch noch \u00fcberlisten. Wenn schon keine Schicht m\u00f6glich ist, dann doch feinste Nanodr\u00e4hte, die Kamimura auf Siliziumunterlagen wachsen l\u00e4sst. Das erm\u00f6glicht es, viel Licht einzufangen.\u00a0 Geelhaar deutet auf die neuesten Messkurven. Nanofasern aus Indium-Gallium-Nitrid, die mit einigen Fremdatomen Magnesium versehen sind (p-dotiert), zeigen einen relativ hohen Photostrom und gleichzeitig entwickelt sich Wasserstoff an der Grenzfl\u00e4che der Nanodr\u00e4hte mit Wasser. Co-Katalysatoren wie Platin verbessern zudem die Reaktion. \u201eDas sind sehr ermutigende Ergebnisse\u201c, meint der Halbleiterphysiker.<\/p>\n

\u201eUnsere Nanofasern absorbieren bereits \u00fcber ein breites Spektrum Licht und wandeln es in Strom um. Die Proben l\u00f6sen sich zudem nicht auf, sondern liefern \u00fcber l\u00e4ngere Messzeiten konstante Ergebnisse bei der Wasserstoffproduktion.\u201c Dennoch liegt noch ein weiter Weg vor Geelhaar und Kamimura. Zur Erzeugung des Sauerstoffs an einer Gegenelektrode musste bislang mit einer von au\u00dfen angelegten elektrischen Hilfsspannung gearbeitet werden. Das n\u00e4chste Ziel ist nun, die Wasserstofferzeugung autark nur aus der Energie des Sonnenlichts zu erreichen.<\/p>\n

Quelle<\/h5>\n

Forschungsverbund Berlin e.V. 2013<\/p>\n

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