Wasserstoff aus Sonnenlicht – Durchbruch bei regenerativer Energie

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Seit Jahren forschen daher die wichtigsten Wissenschaftsstandorte der Welt mit viel Geld und Engagement daran, die bestehende Bestmarke für künstliche Photosynthese von 12,4 %t zu steigern. Die Effizienzsteigerung auf 14 %, hervorgegangen aus der Doktorarbeit von Matthias May, wurde soeben in „Nature Communications“ veröffentlicht *). Die Annahme der Publikation des Fachgebiets Photovoltaik an der TU Ilmenau um Prof. Thomas Hannappel, des Instituts für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin, des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE und des California Institute of Technology in dem renommierten Wissenschaftsmagazin verdeutlicht die wissenschaftliche Bedeutung der Forschungsarbeiten.

Nun gilt es, die Serienproduktion von Hochleistungs-Halbleiterbauelementen kostengünstig zu machen. Prof. Hannappel sieht die Lösung in der Verwendung von Silizium: „Dieses ausgereifte Material eignet sich hervorragend als Basissubstanz für hocheffiziente, kostengünstige Bauelemente. Es ist fast unbegrenzt verfügbar und besitzt nahezu ideale physikalisch-chemische Eigenschaften.“ Allerdings kommen bei der Verwendung von Silizium in den Bauelementen Materialgruppen zusammen, die verschiedenen Halbleiterfamilien angehören. Bei einer ungenauen Zusammenführung dieser Materialien sind die Leistungseinbußen enorm. Die Übergänge von einem Material zum anderen, die so genannten Grenzflächen, sind bei der Herstellung von Bauelementen häufig der kritische Punkt, ihre Wechselwirkungen stellen die Wissenschaft seit jeher vor Probleme.

Weltrekord-Bestmarke aus Ilmenau

Schon 1945 klagte der österreichische Nobelpreisträger für Physik Wolfgang Pauli: „Gott erschuf das Volumen, der Teufel die Grenzflächen“. Trotzdem ist Hannappel sich sicher, diese Aufgabe von höchster Schwierigkeit bewältigen zu können: „Unser Zugang ist besonders, ja weltweit einmalig. Unsere Leistung besteht darin, an den entscheidenden Stellen ganz genau hinschauen zu können. In diesem Fall hieß es, die Oberflächen von Halbleitern gezielt zu manipulieren.“

Mit modernster experimenteller Ausstattung hat sich die TU Ilmenau in den letzten Jahrzehnten eine einzigartige Expertise bei der Erforschung regenerativ erzeugter Energie aufgebaut, für die Hannappel und sein Team übrigens jüngst Lob und Ermunterung aus kompetentem Munde erhielten. Der heute 87-jährige emeritierte Thüringer Professor und Nobelpreisträger für Physik Herbert Krömer schrieb aus dem US-amerikanischen Santa Barbara, er sei fasziniert, dass es der Gruppe gelungen sei, die Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Silizium und den III-V-Halbleitern zu kontrollieren. Die so erzielte Steigerung der Effizienz der künstlichen Photosynthese ist nicht die erste Weltrekord-Bestmarke des Forscherteams um Professor Hannappel. Erst im letzten Jahr waren die Ilmenauer Wissenschaftler an der deutsch-französischen Entwicklung einer so genannten Vierfach-Stapelsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von etwa 45 Prozent entscheidend beteiligt. Keine Solarzelle weltweit kann Sonnenenergie effizienter in Strom umwandeln. Solche Wirkungsgrade sind allerdings mit solarer Wasserspaltung nicht einmal theoretisch erreichbar. Hier ist das internationale Team schon sehr weit gekommen.

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