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Nanostructured Photoelectrodes for Energy Conversion

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Mit einigen Zwischenschritten von Wasserstoff zu Wasserstoff

Wasserstoff- und Sonnenenergie sind zwei vielversprechende Quellen für erneuerbare Energien. Wissenschaftler kombinieren beide in einer Solarzelle, die zur Produktion von Wasserstoffgas (H2) eingesetzt werden kann.

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Wasserstoff stellt eine vielversprechende alternative Treibstoffquelle dar. Er ist energiereich und seine Verbrennung in Sauerstoff produziert nur Wasserdampf – kaum Ruß, Stickstoffoxide oder Kohlenstoffdioxid (CO2). Obwohl es das Element ist, das im Universum im Überfluss vorkommt und das eine der Kraftstoffquellen der Sonne darstellt, kommt es in der Erdatmosphäre jedoch nicht in natürlicher Gasform vor. Fast immer ist es an andere Atome gebunden, in Stoffen wie Wasser (H2O) und Kohlenwasserstoff. Eine der saubersten Arten, H2 zu gewinnen, ist die Elektrolyse von Wasser (die es in H2 und Sauerstoff, O2, aufspaltet). Indem man die nahezu grenzenlose Energie der Sonne für die Elektrolyse nutzt, wird die Produktion noch sauberer und nachhaltiger. Photoelektrochemische Zellen (PEC) verwenden eine Halbleiterelektrode, die Licht absorbiert und seine Energie zur Spaltung von H2O nutzt. Auch nach Jahrzehnten der Forschung wurde jedoch kein geeignetes Material für die Elektroden gefunden, das sowohl leistungsfähig als auch stabil und kostengünstig ist. Das EU-finanzierte Projekt "Nanostructured photoelectrodes for energy conversion" (Nanopec) nutzt den Fortschritt in der Nanotechnologie, um die Funktionalisierung der einzelnen Komponenten so zu steuern, dass die Anforderungen erfüllt werden. Reduziert man die Menge der Kriterien, die jedes einzelne Material zu erfüllen hat, werden die derzeit herrschenden Einschränkungen beseitigt. Im zweiten Berichtszeitraum bedienten sich die Wissenschaftler neuartiger Nanostrukturierungsansätze, die im ersten Zeitraum konzipiert wurden, um sowohl herkömmliche Werkstoffe als auch neu entwickelte auszugestalten. Zu den Komponenten gehörten ultradünne Oxis-Unterschichten, Hämatitfolien, plasmonenverstärkte Photoelektroden, gradierte Nanodrahtmatrizen sowie Katalysatoren und Oberschichten. Es wurden wesentliche Leistungsverbesserungen der PEC erreicht. Die Forscher konnten Oberschichten und Katalysatoren erfolgreich abwandeln, um künstlich verschiedene neuartige Halbleitermaterialien mit verbesserter Leistung und Stabilität herzustellen. Um das Grundverständnis für die PEC-Prozesse zu erhöhen, analysierten die Wissenschaftler die Werkstoffstrukturen, ihre Defekte und ihr physiochemisches Verhalten. Sie entwickelten auch eine innovative Technik zum Einfangen von Licht, um die Lichtabsorption zu maximieren. Im zweiten Berichtszeitraum konnte man die Leistungsbewertung und Optimierung komplett montierter PEC-Baugruppen miterleben, die zur Konstruktion und Demonstration zweier Baugruppen mit verschiedenen Konfigurationen führte. Obwohl die Kosten leicht über dem Zielwert liegen, wurde ein wesentlicher Fortschritt bei der Wasseraufspaltung mit PEC erzielt, und die Technologie ist der kommerziellen Nutzung einen Schritt näher gekommen.

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