Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Vom Blatt zum Baum: Künstliche Photosynthese im großen Maßstab

09.09.2016

Forscher entwerfen erstmals praktisch anwendbares Design für photoelektrochemische Wasserspaltung

Wissenschaftler des Forschungszentrums haben zum ersten Mal ein komplettes und kompaktes Design einer Anlage für die künstliche Photosynthese entwickelt. Dies bringt diese Technologie einen entscheidenden Schritt näher zur Anwendung. Das Konzept ist flexibel, sowohl bei den verwendeten Materialien als auch bei der Größe des Systems. Ihre Ergebnisse haben die Forscher jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht (DOI: 10.1038/NCOMMS12681).


Das Photosynthese-System der ist kompakt und in sich geschlossen. Es lässt sich beliebig erweitern und ist für jede Dünnschicht-Photovoltaik-Technologie und verschiedene Elektrolysearten anwendbar.

Copyright: Forschungszentrum Jülich


Testaufbau des Prototyps der photoelektrochemischen Wasserspaltung

Copyright: Tobias Dyck/Forschungszentrum Jülich

Sonne und Wind sollen in Zukunft den Löwenanteil unserer Energie liefern. Die unstete Natur dieser erneuerbaren Energiequellen richtet den Fokus der aktuellen Forschung immer mehr auf effiziente Speichertechnologien. Wie die Energiequellen selbst sollen sie umweltfreundlich und bezahlbar sein.

Dieser Trend ist besonders offensichtlich in der Forschung zur direkten photoelektrochemischen Wasserspaltung: künstliche Photosynthese, die Kombination von Solarzelle und Elektrolyseur. Mit ihr lässt sich die Energie der Sonne direkt in das universale Speichermedium Wasserstoff umwandeln. Zum ersten Mal in den 1970ern erforscht, gewinnt sie 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.

Die Jülicher Solarzellenforscher Jan-Philipp Becker und Bugra Turan konzentrierten sich jedoch auf einen Aspekt, der bisher weitgehend vernachlässigt wurde: ein realistisches Design eines solchen Systems, das die Technologie aus den Laboren der Wissenschaftler herausholt und eine praktische Anwendung möglich macht. "Die photoelektrochemische Wasserspaltung wurde bis jetzt immer nur im Labormaßstab getestet", erklärt 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 Design der beiden Experten des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung unterscheidet sich deutlich von den üblichen Laborexperimenten. Statt fingernagelgroßer einzelner Komponenten, die untereinander mit Drähten verbunden sind, entwickelten sie ein kompaktes, in sich geschlossenes System – komplett aus kostengünstigen, leicht verfügbaren Materialien.

Mit einer Fläche von 64 Quadratzentimetern wirkt ihr Bauelement 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. "Im Gegensatz zu den bislang in Laborexperimenten üblichen Konzepten zur Aufskalierung erlaubt diese Methode eine höhere Effizienz."

Kompatibel mit diversen Technologien

Im Moment liegt die Sonne-zu-Wasserstoff-Effizienz des Prototyps bei 3,9 Prozent. "Das klingt nicht nach viel", gibt Bugra Turan zu. "Doch das ist natürlich nur ein erster Entwurf einer vollständigen Anlage. Da ist noch mehr drin." Und – geben die Wissenschaftler zu bedenken – natürliche Photosynthese erreicht nur Wirkungsgrade um ein Prozent. 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. 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."

Originalpublikation:

"Upscaling of integrated photoelectrochemical water-splitting devices to large areas" by Bugra Turan, Jan-Philipp Becker, Félix Urbain, Friedhelm Finger, Uwe Rau, Stefan Haas,
DOI: 10.1038/NCOMMS12681
http://www.nature.com/ncomms/2016/160907/ncomms12681/abs/ncomms12681.html

Ansprechpartner:

Dr. Jan-Philipp Becker
Institut für Energie und Klimaforschung, Photovoltaik (IEK-5)
Tel.: 02561 61-9730
E-Mail: j.becker@fz-juelich.de

Dr. Bugra Turan
Institut für Energie und Klimaforschung, Photovoltaik (IEK-5)
Tel.: 02561 61-9089
E-Mail: b.turan@fz-juelich.de

Prof. Uwe Rau
Institut für Energie und Klimaforschung, Photovoltaik (IEK-5)
Tel.: 02561 61-1554
Email: u.rau@fz-juelich.de

Dr. Stefan Haas
Institut für Energie und Klimaforschung, Photovoltaik (IEK-5)
Tel.: 02561 61-9099
Email: st.haas@fz-juelich.de
Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin
Unternehmenskommunikation
Tel.: 02461 61-9054
Email: r.panknin@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/portal/DE/Home/home_node.html - Forschungszentrum Jülich
http://www.fz-juelich.de/iek/iek-5/DE/Home/home_node.html - Institut für Energie und Klimaforschung, Photovoltaik (IEK-5)

Dipl.-Biologin Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Adenoviren binden gezielt an Strukturen auf Tumorzellen
23.04.2018 | Eberhard Karls Universität Tübingen

nachricht Software mit Grips
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt am Main

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Im Focus: Metalle verbinden ohne Schweißen

Kieler Prototyp für neue Verbindungstechnik wird auf Hannover Messe präsentiert

Schweißen ist noch immer die Standardtechnik, um Metalle miteinander zu verbinden. Doch das aufwändige Verfahren unter hohen Temperaturen ist nicht überall...

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Event News

Invitation to the upcoming "Current Topics in Bioinformatics: Big Data in Genomics and Medicine"

13.04.2018 | Event News

Unique scope of UV LED technologies and applications presented in Berlin: ICULTA-2018

12.04.2018 | Event News

IWOLIA: A conference bringing together German Industrie 4.0 and French Industrie du Futur

09.04.2018 | Event News

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Moleküle brillant beleuchtet

23.04.2018 | Physik Astronomie

Sauber und effizient - Fraunhofer ISE präsentiert Wasserstofftechnologien auf Hannover Messe

23.04.2018 | HANNOVER MESSE

Fraunhofer IMWS entwickelt biobasierte Faser-Kunststoff-Verbunde für Leichtbau-Anwendungen

23.04.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics