Billig schlägt effizient: Solarenergie per Rost speichern

Lausanne (Schweiz) - Solarenergie zu speichern wird derzeit weltweit emsig erforscht. Eine besonders kostengünstige Methode dafür haben jetzt Schweizer Wissenschaftlern entwickelt - mithilfe von Wasserstoff und Rost. Mit dem Eisenoxid senkten sie drastisch die Kosten eines Prozesses, der mithilfe einer Solarzelle Wasserstoff erzeugt. Daraus kann später Strom oder Wärme gewonnen werden. Ziel der Forscher war es, bereits bekannte Prozesse deutlich günstiger zu erreichen. Darüber hinaus entwickelten sie eine flexibel anpassbare Herstellungsmethode für solche Module. Der noch geringe Wirkungsgrad soll sich deutlich steigern lassen, schreiben die Forscher im Fachblatt „Nature Photonics“. Die Kosten allerdings liegen bereits jetzt um ein Vielfaches unter denen konkurrierender Entwicklungen.

„Das teuerste Material in unserer Vorrichtung ist die Glasplatte“, erklärt Kevin Sivula von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL). Und Rost, Eisenoxid, sei ein sehr stabiles und reichlich vorhandenes Material. Allerdings ist es in Rohform einer der schlechtesten Halbleiter, so dass Sivula und Kollegen ihn zunächst – ebenfalls möglichst kostengünstig – optimierten. Mit nun verbesserten elektrochemischen Eigenschaften weist er Nanometer feine Oberflächenstrukturen auf, ist mit Siliziumoxid versetzt und mit einer hauchdünnen Schicht Aluminium- und Kobaltoxid versehen. Diese Behandlung ist leicht zu bewerkstelligen, so Sivula: „Wir mussten einen simplen Aufbereitungsprozess entwickeln, wie die, das Material einfach einzutauchen oder anzustreichen.“

Der Rost ist damit ein wichtiger Bestandteil einer sogenannten photoelektrochemischen Solarzelle – sie erzeugt in einer einzigen, völlig unabhängig arbeitenden Einheit Elektronen aus Sonnenlicht und spaltet mit deren Energie Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff. Für den lichtumwandelnden Teil seiner Vorrichtung nutzte das Lausanner Team eine ebenfalls sehr günstig herzustellende Grätzel-Zelle: diesen Typ organischer Solarzellen, die mit einer Farbstoffschicht etwa aus natürlichem Chlorophyll arbeiten, hatte der auch am aktuellen Projekt beteiligte EPFL-Forscher Michael Grätzel vor 20 Jahren entwickelt. Eine Schicht aus Halbleitermaterial nutzt dann die Elektronen aus der Grätzel-Zelle zum Wasserspalten. Bislang galt allerdings der Gegensatz von Kosten und Effizienz, wie die Forscher schreiben: Einen hohen Wirkungsgrad erreichen nur teure und komplexe Halbleiter – günstige Halbleiter wie Oxide liefern nur einen Wirkungsgrad von bis zu 0,3 Prozent.

Den Durchbruch in diesem Dilemma brachte der optimierte Rost: Mit ihrem Prototypen um eine Eisenoxid-Photoanode erreichten Sivula und Kollegen einen Wirkungsgrad zwischen 1,4 und 3,6 Prozent. Im Vergleich zu teureren Systemen ist dies bescheiden, doch eine Steigerung auf bis zu 16 Prozent in den kommenden Jahren ist möglich, so die Forscher. Dann wäre ein Quadratmeter der Technik für rund 60 Euro herzustellen, berichtet Sivula und vergleicht: „Ein US-Team hat gerade einen eindrucksvollen Wirkungsgrad von 12,4 Prozent erreicht – das System ist theoretisch sehr interessant, doch damit würde eine Oberfläche von zehn Quadrat-Zentimetern 7.800 Euro kosten.“