Sonnenlicht zu Wasserstoff Neues Hybridmaterial für die Wasserstoffentwicklung

Sonnenlicht direkt in Wasserstoff umzuwandeln, wäre die ideale Lösung, um Sonnenenergie speicherbar zu machen. Dafür müssen neuartige Halbleitermaterialien entwickelt werden, die in Wasser eingetaucht Licht auffangen und es an Ort und Stelle zur Produktion von Wasserstoff nutzen - eine große technologische Herausforderung.

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Helmholtz-Zentrum Berlin

Berlin – Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben gemeinsam mit Kooperationspartnern im BMBF-Verbundprojekt „Light2Hydrogen“ ein neuartiges Hybridmaterial hergestellt und analysiert, das dazu in der Lage ist: Die photoelektrochemische Reaktion läuft an einer speziellen Kohlenstoff-Verbindung als Photokatalysator ab, dem so genanntem polymeren Kohlenstoffnitrid. Dieses wird in dünnen Schichten auf Halbleitersubstrate wie Chalkopyrit oder Silizium aufgebracht.

Damit konnten die Forscher zum ersten Mal nachweisen, dass Kohlenstoffnitridfilme auf Chalkopyriten bzw. Silizium erfolgreich als Bestandteil von Photokathoden für die lichtinduzierte Wasserstoff-Entwicklung eingesetzt werden können.

Photoelektrochemische Wasserstoffentwicklung

Sonnenenergie kann genutzt werden, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Der entstehende Wasserstoff ist ein Brennstoff, der sich verdichten oder chemisch weiter umwandeln und anschließend speichern lässt. Für den Herstellungsprozess - die photochemische Elektrolyse oder photoelektrochemische Wasserstoffentwicklung - gibt es bisher keine ausgereiften Materialsysteme. Notwendig sind Halbleiter, die im Wasser eingetaucht Licht absorbieren und nutzen, um Ladungsträger für die Photoelektrolyse an die Materialoberfläche zu bringen. Die idealen Halbleiter wären natürlich Silizium oder Chalkopyrit, so wie es in der Photovoltaik benutzt wird. Taucht man aber Silizium- bzw. Chalkopyrit-Halbleiter in Wasser, korrodieren sie sofort und werden unwirksam. Forscher suchen deshalb nach anderen Halbleitern - wie dem polymeren Kohlenstoffnitrid.

Bessere Performance durch zusätzliches elektrisches Feld

Bisher konnte diese Substanz nur in Pulverform untersucht werden. Im Rahmen des Light2Hydrogen-Projekts haben Wissenschaftler das polymere Kohlenstoffnitrid erfolgreich auf Chalkopyrit und Silizium aufgebracht. Die entsprechenden Verfahren sind am HZB gut etabliert und werden bei der Erforschung von Dünnschichtsolarzellen eingesetzt. „Das neue Verbundmaterial haben wir dann in unter sauren Bedingungen, also bei niedrigem pH-Wert untersucht“, sagt PD Dr. Thomas Schedel-Niedrig, der das Projekt am HZB leitet. Es habe sich als stabil erwiesen und bei Einfall von Licht sei viel Wasserstoff entstanden. „Durch diese Hybridverbindung zu Chalkopyrit bzw. Silizium haben wir ein zusätzliches elektrisches Feld eingebaut, das die Performance verbessert“, so Schedel-Niedrig weiter.

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