Die Nickel-Lösung

Stanford-Forscher haben eine Beschichtung gefunden, die Siliziumsolarzellen bei der solaren Wasserstoffgewinnung vor Korrosion schützt - und zugleich die Effizienz des Verfahrens erhöht.

Wasserstoff wird seit langem als umweltfreundlicher Kraftstoff der Zukunft gehandelt, für Brennstoffzellen oder direkt für Motoren. Bis heute ist es billiger, das leichteste aller Gase aus Erdgas zu gewinnen als aus Wasser – 50 Milliarden Tonnen werden jährlich so erzeugt. Es sei denn, man betreibt die Elektrolyse von Wassermolekülen mit Solarenergie. Das US-Energieministerium schätzt den Effizienzgewinn der solar betriebenen Herstellung von Wasserstoff auf 15 bis 25 Prozent. Forscher der Stanford University berichten nun von einem Material, das dieses Ziel erstmals realistisch erscheinen lässt.

Seit einiger Zeit arbeiten verschiedene Gruppen an einer „künstlichen Photosynthese“: Inspiriert vom natürlichen Vorbild in Blättern, soll Sonnenlicht über eine Solarzelle in Strom verwandelt werden, der die elektrisch entgegengesetzt geladenen Wasserstoff- und Sauerstoffatome des Wassers trennt. Voraussetzung sind allerdings geeignete Katalysatoren auf der Solarzelle, an denen die Gasbildung ablaufen kann. Die Gruppe um Daniel Nocera vom Solar Revolution Project des MIT verwendet mit Kobaltphosphat beschichtete Solarzellen, die direkt in Wasser arbeiten (siehe Bild oben). Der Ansatz ist aber noch weit von einer wirtschaftlichen Anwendung entfernt.

Derzeit vielversprechender ist, das Wasser in einem photoelektrochemischen Prozess zu spalten. In dem wandeln Halbleiter Sonnenlicht in Strom um und dienen zugleich in einem wässrigen Elektrolyt als Elektroden, deren Oberflächen mit einem Katalysator beschichtet sind. Das sichtbare Licht wird von einer Kupfer-Gallium-Sulfid-Kathode (CGS) aufgefangen und regt die Bildung von Wasserstoff in der einen Hälfte des Beckens an. Rotes und infrarotes Licht passiert die CGS-Kathode und die Trennmembran und trifft in der anderen Hälfte des Beckens auf eine Silizium-Anode, an der Sauerstoffgas entsteht (siehe Grafik).

Genau auf dieser Seite des Doppelprozesses liegt aber ein Problem. Sauerstoff korrodiert nämlich Silizium, das bislang gebräuchlichste Photovoltaikmaterial, innerhalb von Stunden. Andere Halbleiter auf der Anodenseite erzeugen jedoch keine besonders große Spannung, wie sie für eine effiziente Wasserspaltung nötig wäre.

Die Stanford-Forscher fanden nun heraus, dass eine zwei Nanometer dicke Nickelschicht die Korrosion des Siliziums verhindern kann. Die Spaltreaktion lief drei Tage lang unverändert. Dann stoppten die Wissenschaftler das Experiment und untersuchten das Silizium auf Korrosionsspuren. Sie fanden: nichts.

Die Nickelschicht wurde mittels Elektronenstrahlverdampfung auf einem mit Phosphor dotierten Silizium-Wafer vom n-Typ aufgebracht. Bei zwei Nanometern Dicke lässt die Nickelschicht noch gut 90 Prozent des einfallenden Lichts durch, bei fünf Nanometern Dicke sind es nur noch knapp 70 Prozent. 30-Nanometer-Schichten sind bereits so gut wie lichtundurchlässig.

Natürlich könnte man auch andere Werkstoffe nehmen, Metalloxide zum Beispiel, die Wassermoleküle ebenfalls aufspalten. Nur sind sie viel zu langsam für einen nennenswerte Ausbeute. Die neue Materialkombination sei um eine Größenordnung schneller, sagt John Turner vom National Renewable Energy Laboratory in Golden im US-Bundesstaat Colorado. „40 Jahre Forschung an Metalloxiden haben kein Ergebnis gebracht, dass an das jetzige herankommt.“

Bis zu einer kommerziellen Anwendung dürfte es aber noch lange dauern. Hierfür müsste erst einmal die Effizienz eines Systems aus zwei Solarzellen – je eine für das Wasserstoffgas und für das Sauerstoffgas – im Langzeitversuch getestet werden. Für einen wirtschaftlichen Betrieb müsste es mindestens fünf Jahre bei gleichbleibender Ausbeute laufen, sagt Turner.

Das Paper:
Kenney, Michael et al.: "High-Performance Silicon Photoanodes Passivated with Ultrathin Nickel Films for Water Oxidation", Science, Vol. 342, 15.11.2013 (Abstract) (nbo)