Eine der am häufigsten genutzten Methoden zur Gewinnung von Wasserstoff ist künstliche Fotosynthese, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Das Problem dabei ist, dass dieser Prozess momentan nicht sehr effektiv und damit energiehungrig ist. Forscher des US-amerikanischen Berkeley Lab und des Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) haben nun eine Hybridzelle entwickelt, die den die künstliche Fotosynthese effektiver gestalten soll, indem sie sowohl Wasserstoff als auch Elektrizität produziert.


Künstliche Fotosynthese hat ein Effizienz-Problem

Im Bereich der künstlichen Fotosynthese wurden in den letzten Jahren zahlreiche Fortschritte gemacht. Unter anderem gelang es, die Effizienz zu verbessern, die Kosten zu senken und innovative Systeme zu entwickeln, die sich den Prozess zunutze machen.


Aber trotz aller Fortschritte verbleibt die Effizienz der künstlichen Fotosynthese oft im einstelligen Prozentbereich. Zum Vergleich: Viele konventionelle Photovoltaik-Systeme erreichen inzwischen eine Effizienz von 20 Prozent oder mehr, der Rekord liegt bei 45 Prozent. Die Forscher des Berkeley Lab und des Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) machen vor allem Bauteile für die niedrige Effizienz verantwortlich, die nicht aus Silizium sind.

It’s like always running a car in first gear. This is energy that you could harvest, but because silicon isn’t acting at its maximum power point, most of the excited electrons in the silicon have nowhere to go, so they lose their energy before they are utilized to do useful work„, so Gideon Segev, der Hauptautor der Studie.

Zelle produziert Wasserstoff und Energie

Die Forscher kamen auf eine recht simple Idee: Warum sollte man die angeregten Elektronen in den Silizium-Komponenten nicht nutzen? Um dies zu ermöglichen, verbanden die Wissenschaftler einen zweiten elektrischen Kontakt mit den Siliziumbauteilen. Die Spannung, die von der Sonneneinstrahlung erzeugt wird, wird so geteilt. Ein Teil der Spannung spaltet Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff, und der Rest wird als Elektrizität verwendet. Die Forscher tauften ihre Zelle auf den Namen HPEV-Zelle, was für „hybrid photoelectrochemical and voltaic“ steht.

Die Forscher bezifferten die Effizienz der normalen künstlichen Fotosynthese in einer Zelle aus Silizium und Bismutvanadat auf einen Wert von 6,8 Prozent. Die HPEV-Zelle aus den gleichen Bestandteilen konvertiert 13,4 Prozent mehr Energie aus dem Sonnenlicht in Elektrizität – zusätzlich zu den 6,8 Prozent, die in die künstliche Fotosynthese einfließt. Insgesamt kommt die HPEV-Zelle so auf eine Effizienz von 20,2 Prozent.

Die Forscher testeten das Design zuerst in Simulationen und bauten dann einen Prototyp, der wie erwartet funktionierte. Das Team möchte das Gerät nun weiter verbessern und andere Einsatzmöglichkeiten erforschen – unter anderem die Reduktion der CO2-Emissionen.

via Berkeley Lab"

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