Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Katalysator im Kunststoffmantel schützt „Künstliches Blatt“

17.06.2013
Speicherlösungen für die unregelmäßig verfügbare Solarenergie werden dringend gesucht.

Eine Lösung ist es, die in Solarzellen erzeugte elektrische Energie zu nutzen, um durch Elektrolyse Wasser aufzuspalten und so den Brennstoff Wasserstoff zu erzeugen. Forscher am HZB-Institut für Solare Brennstoffe modifizieren so genannte Superstrat-Solarzellen, die eine sehr effiziente Architektur besitzen, um mit geeigneten Katalysatoren Wasserstoff aus Wasser zu produzieren. Diese Zelle funktioniert wie ein „künstliches Blatt“. Doch im wässrigen Elektrolyten korrodiert die Solarzelle rasch.


Diese komplexe Solarzelle ist mit zwei unterschiedlichen Katalysatoren beschichtet und funktioniert wie ein „künstliches Blatt“: sie nutzt Sonnenlicht, um Wasser aufzuspalten und Wasserstoffgas zu erzeugen. Foto: HZB

Nun hat eine Doktorandin des Teams, Diana Stellmach, als erste Wissenschaftlerin in Europa eine neue Lösung gefunden, um die Korrosion zu verhindern: Sie bettet die Katalysatoren in einen leitfähigen Kunststoff ein und bringt sie dann auf die beiden Kontakte der Solarzelle auf. Damit versiegelt sie die empfindlichen Kontakte der Zelle gegen Korrosion und ermöglicht eine stabile Ausbeute von etwa 3,7 Prozent des Sonnenlichts.

Wasserstoff speichert Energie auf chemische Weise und ist vielseitig einsetzbar. Das Gas kann zu Brennstoffen wie Methan weiterverarbeitet werden oder direkt in Brennstoffzellen Strom erzeugen. Wasserstoff lässt sich durch die elektrolytische Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff herstellen; dafür sind zwei Elektroden nötig, die mit geeigneten Katalysatoren beschichtet sind und zwischen denen eine Spannung (mindestens 1,23 V) anliegt. Interessant wird die Erzeugung von Wasserstoff aber erst, wenn dafür Solarenergie genutzt werden kann. Denn das würde zwei Probleme auf einmal lösen: An sonnigen Tagen könnte überschüssiger Strom Wasserstoff erzeugen, der dann nachts oder an trüben Tagen als Brennstoff oder zur Stromerzeugung zur Verfügung stünde.
Neue Ansätze mit komplexen Dünnschicht-Silizium-Solarzellen

Am Institut für Solare Brennstoffe des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) arbeiten Forscher an neuen Ansätzen, um dieses Ziel zu verfolgen: Dafür nutzen sie photovoltaische Strukturen aus mehreren, extrem dünnen Silizium-Schichten, die am Photovoltaik-Kompetenzzentrum-Berlin (PVcomB), einem anderen Institut des HZB, maßgeschneidert gefertigt werden. Weil die Zelle aus einem einzigen – wenn auch komplex aufgebauten – „Block“ besteht, spricht man von einem monolithischen Ansatz. Die elektrischen Kontaktflächen der Zelle werden im Institut für Solare Brennstoffe mit speziellen Katalysatoren für die Wasserspaltung beschichtet. Wird diese Zelle in verdünnte Schwefelsäure eingetaucht und mit sonnenähnlichem Licht bestrahlt, entsteht an den Kontakten eine Spannung, die für die Aufspaltung von Wasser genutzt werden kann. Elementar wichtig sind in diesem Prozess die Katalysatoren, die die Reaktionen an den Kontakten beschleunigen.

Neue Lösung verhindert Korrosion

Der Vorteil der photovoltaischen Zellen des PVcomB ist deren „Superstrat- Architektur“: Das Licht fällt durch den transparenten Frontkontakt ein, der auf dem Trägerglas abgeschieden ist; es gibt keine Verschattung durch aufgebrachte Katalysatoren. Die Katalysatoren befinden sich nämlich auf der Rückseite der Solarzelle und sind im Kontakt mit dem Wasser/Säuregemisch. Dieses ist sehr angriffslustig, das heißt korrosiv, so dass Diana Stellmach im ersten Schritt den üblichen Zinnoxid-Silber-Rückkontakt durch eine Beschichtung mit Titan von etwa 400 Nanometern Dicke ersetzen musste. Im zweiten Schritt entwickelte sie eine Lösung, um mit dem Aufbringen des Katalysators gleichzeitig die Zelle gegen Korrosion zu schützen: Sie mischte RuO2-Nanoteilchen in ein leitfähiges Polymer (PEDOT:PSS) und trug diese Mischung als Katalysator für die Sauerstoffbildung auf dem Rückseitenkontakt der Zelle auf. Auf den Frontkontakt wurden in analoger Weise Platin Nanoteilchen aufgebracht, an denen die Wasserstoffentwicklung abläuft.

Erstmals stabile Produktionsraten
Insgesamt erzielte die Konfiguration einen Wirkungsgrad von 3,7 % und war über mindestens 18 Stunden stabil. „Damit ist Frau Stellmach die erste Wissenschaftlerin in Europa, die eine solche wasserspaltende Solarzellenstruktur realisiert hat“, erklärt Prof. Dr. Sebastian Fiechter. Vielleicht sogar weltweit, denn anders aufgebaute Photovoltaikmembranen erwiesen sich als weniger stabil. Allerdings müssen die teuren Katalysatoren wie Platin und RuO2 langfristig noch durch preiswertere Stoffe ersetzt werden. Auch daran arbeitet Diana Stellmach bereits; sie entwickelt nun Kohlenstoff-Nanoröhren, die mit Molybdän-Sulfid-Schichten ummantelt sind und als Katalysatoren für die Wasserstoffentwicklung dienen.

Weitere Informationen:

Prof. Sebastian Fiechter
Institut Solare Brennstoffe
Tel.: +49 (0)30-8062-42927
fiechter@helmholtz-berlin.de

Diana Stellmach
Institut Solare Brennstoffe
Tel.: +49 (0)30-8062-42323
diana.stellmach@helmholtz-berlin.de

Pressestelle des HZB
Dr. Antonia Rötger
Tel.: +49 (0)30-8062-43733
Fax: +49 (0)30-8062-42998
antonia.roetger@helmholtz-berlin.de

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-berlin.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Europäisches Exzellenzzentrum für Glasforschung
17.03.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Vollautomatisierte Herstellung von CAD/CAM-Blöcken für kostengünstigen, hochwertigen Zahnersatz
16.03.2017 | Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise