Grüner Wasserstoff Forscher lösen Rätsel um den photoelektrisch schwächelnden Rost

Redakteur: Peter Königsreuther

Auch der uns wohlbekannte Rost bei eisenhaltigen Werkstoffen kann in Photoelektroden aus Licht Strom erzeugen. Wie das geht, haben israelische und deutsche Wissenschaftler endlich herausgefunden.

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Rost ist meist das Ende für Systeme. Metalloxide können aber auch den Beginn des günstigeren Wegs zum grünen Wasserstoff sein. Denn alle haben photoelektrische Eigenschaften, über die Forschende jetzt mehr wissen.
Rost ist meist das Ende für Systeme. Metalloxide können aber auch den Beginn des günstigeren Wegs zum grünen Wasserstoff sein. Denn alle haben photoelektrische Eigenschaften, über die Forschende jetzt mehr wissen.
(Bild: Lostmachine)

Aus Metalloxiden, zu denen auch schnöder Rost gehört, eignen sich für Photoelektroden. Damit kann man dann etwa „grünen“ Wasserstoff mit Sonnenlicht zu erzeugen. Jahrzehntelang gab es auf diesem Gebiet aber keine Fortschritte, sagen die Experten von der Ben-Gurion-Universität und dem Technion in Israel sowie Forschende am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB). Ein Team aus diesen Forschungseinrichtungen hat aber nun die optoelektronischen Eigenschaften von billigem Rost (genauer gesagt, Hämatit) und anderen Metalloxiden in bisher nicht gekanntem Detail analysieren können, heißt es weiter. Ihre Studie zeigt, wie so mancher Effekt erklärt werden kann, und auch, wie sich neue Materialien für Photoelektroden realistischer bewerten lassen.

Bei der Herstellung grünen Wasserstoffs gibt es Herausforderungen

Wasserstoff wird im Energiesystem der Zukunft in großen Mengen als Energieträger und Rohstoff benötigt, sind sich viele sicher. Dafür muss das Gas jedoch klimaneutral erzeugt werden, was zum Beispiel per Photoelektrolyse geschehen kann, bei der Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten wird. Als Photoelektroden kommen halbleitende Materialien in Frage, die nicht nur Sonnenlicht in Strom umwandeln sondern im Wasser stabil bleiben müssen. Preisgünstige und stabile Photoelektroden kann man deshalb aus Metalloxiden herstellen. Einige dieser Metalloxide haben außerdem katalytisch aktive Oberflächen, die die Bildung von Wasserstoff an der Kathode respektive Sauerstoff an der Anode beschleunigen, betont das Forscher-Team.

Hämatit-Elektroden sind weniger wirksam als bisher gedacht

Im Fokus der Forschung steht, wie oben bereits angedeutet, seit langem Hämatit (α-Fe2O3). Denn Hämatit ist stabil im Wasser, sehr preiswert und eignet sich gut als Photoanode mit nachgewiesener katalytischer Aktivität für die Sauerstoffentwicklung, sagen die Forschenden. Obwohl seit etwa 50 Jahren an Hämatit-Photoanoden geforscht werde, liegt die Photostrom-Umwandlungseffizienz unter 50 Prozent des theoretischen Maximalwertes. Verglichen mit dem Wirkungsgrad des Halbleiterelements Silizium, das heute mit Abstand den Photovoltaikmarkt dominiert, ist das lächerlich. Denn bei Silizium kommt man auf rund 90 Prozent des theoretischen Maximalwertes. Warum das so ist, wusste man bis heute nicht. Was genau wurde übersehen? Woran liegt es, dass trotz langer Forschung nur bescheidene Steigerungen des Wirkungsgrads erreicht werden konnten? Die Antworten liegen jetzt aber vor.

Das gelöste Rost-Rätsel

Denn das Team um Dr. Daniel Grave (Ben-Gurion-Universität), Dr. Dennis Friedrich (HZB) und Prof. Dr. Avner Rothschild (Technion) kann das nun erklären. Die Erkenntnisse wurden auch in Nature Materials publiziert. Die Gruppe am Technion untersuchte, wie die Wellenlänge des absorbierten Lichts die photoelektrochemischen Eigenschaften von Hämatit-Dünnschichten beeinflusst, während das HZB-Team mit zeitaufgelösten Mikrowellenmessungen die Beweglichkeit der Ladungsträger in dünnen Rostschichten bestimmte.

Durch die Kombination ihrer Ergebnisse gelang es, eine grundlegende physikalische Eigenschaft des Materials zu extrahieren, die bei der Betrachtung anorganischer Solarabsorber bisher vernachlässigt wurde. Sie betrifft das Spektrum der sogenannten Photogenerationsausbeute. „Grob gesagt, bedeutet dies, dass nur ein Teil der absorbierten Lichtenergie im Hämatit auch mobile Ladungsträger erzeugt, was Stromfluss bedeutet. Der Rest erzeugt eher lokalisierte, also inaktive, Ladungsträger", erklärt Grave.

Realistische Einschätzung von neuen Materialien für Photoelektroden

„Diese Erkenntnis gibt einen experimentellen Einblick in die Wechselwirkung zwischen Licht und Material in Hämatit, die es erlauben, das Spektrum in produktive und quasi nicht-produktive Absorption zu unterscheiden", ergänzt Rothschild. Damit sei klar, dass die effektive Obergrenze für die Umwandlungseffizienz von Hämatit-Photoanoden deutlich niedriger sein muss als bisher kalkuliert. Nach der neuen Berechnung kommen die heutigen, vermeintlichen „Champions“ unter den Hämatit-Photoanoden schon recht nahe an das theoretisch mögliche Maximum heran – mehr ist wohl nicht mehr drin!

Der Ansatz wurde auch erfolgreich auf das Modellmaterial TiO2 (Titandioxid) und das derzeit beste Metalloxid-Photoanodenmaterial BiVO4 (Bismutvanadat) angewendet. Mit dieser neuen Denke habe man dem bisherigen Arsenal für die Fertigung von effektiven Photoelektroden ein mächtiges Werkzeug hinzugefügt. Denn nun kann man das tatsächliche Potenzial von Photoelektrodenmaterialien ermitteln. Wenn man das auf neuartige Materialien anwende, könne man die Entdeckung und Entwicklung noch besserer (vielleicht sogar idealer) Photoelektroden für die solare Wasserspaltung beschleunigen. „Es würde uns aber auch erlauben, 'schnell zu scheitern', was bei der Entwicklung neuer Absorbermaterialien wohl ebenso wichtig ist, wenn man sich unwissend in einer Sackgasse befindet", macht Dennis Friedrich abschließend klar.

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