Solarzelle ins Wasser

Silizium, Licht und Nanostrukturen stecken im Namen des halleschen Zentrums für Innovationskompetenz SiLi-nano. Das Bundesforschungsministerium unterstützt das ZIK in einer zweiten Förderrunde. Somit haben zwei neue wissenschaftliche Nachwuchsgruppen die Chance, ihre Kompetenzen auf dem Gebiet der Erzeugung und Speicherung erneuerbarer Energien einzubringen. Allerdings müsse nicht zwingend ausschließlich mit dem Material Silizium geforscht werden, meint Akash Bhatnagar. Der 30-jährige Physiker untersuchte in seiner Dissertation die besonderen photovoltaischen, multiferroischen und ferroelektrischen Eigenschaften des Kristalls Bismutferrit (BiFeO₃). Bhatnagar promovierte am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle. Dort untersuchte er die Grundlagen des speziellen photovoltaischen Effekts im Bismutferrit, der Spannungen bis zu 40 Volt liefert. Solarzellen aus Silizium erzeugen nur Spannungen von 0,5 Volt. „Ferroelektrische Materialen sind also genauso in der Lage, bei Licht Spannungen zu generieren. Sie funktionieren aber nach einem völlig anderen physikalischen Mechanismus“, sagt Akash Bhatnagar und fügt hinzu, dass ferroelektrische Oxide bisher kaum beachtete Materialien in der Photovoltaik sind. Als Postdoktorand forschte er einige Zeit an der Universität von Warwick in England. Über seine Rückkehr nach Halle freue er sich sehr, da er ja die hervorragende Ausstattung und Infrastruktur am Wissenschaftsstandort schon kenne, sagt Bhatnagar. Derzeit baut er seine Forschungsgruppe „Light-for-High-Voltage Photovoltaics“ auf.

Licht spaltet Wasser

Mit dem Einsatz neuer Materialien, die in der Photovoltaik Spannungen bis zu 10 Volt erreichen können, wird Bhatnagars Nachwuchsgruppe absolutes Neuland betreten. So einige Steine haben sie dabei aus dem Weg zu räumen. Beispielsweise sei die Effizienz der neuen ferroelektrischen Materialien mit Strömen im Nano-Amperebereich noch zu gering. Für einen Prototypen müsse man in den Mikro-Amperebereich gelangen, meint der Physiker.

Sein Kollege Wouter Maijenburg nickt zustimmend. Der junge Chemiker kommt ebenso in den Genuss des BMBF-Förderprogramms. In seiner Dissertation an der Universität Twente in den Niederlanden beschäftigte er sich mit der photokatalytischen, also mit der durch Licht ausgelösten, Wasserspaltung. Bei diesem Verfahren wird der Energieträger Wasserstoff auf umweltfreundliche Weise gewonnen. Er kann zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen, aber auch für vielfältige andere wasserstoffverbrauchende Veredelungsprozesse verwertet werden. Der 32-jährige Juniorprofessor baut momentan am ZIK SiLi-nano die Forschungsgruppe „Light-for-Hydrogen“ auf, um neue Wege zu einer erhöhten Licht-zu-Wasserstoff-Effizienz zu finden. „Eine zentrale Frage wird sich damit beschäftigen, wie sich speziell designte Nanostrukturen aus verschiedenen Metall-Oxiden auf die fotokatalytische Wasserspaltung auswirken“, sagt Wouter Maijenburg.

Kombi von Photovoltaik und Elektrolyse

Akash Bhatnagar und Wouter Maijenburg sind erst seit ein paar Monaten Kollegen am ZIK SiLi-nano. Aber sie haben schon gemeinsame Ideen. „Wir denken uns die Solarzelle ins Wasser hinein“, sagen die zwei. Soll heißen: Beide Forschungsfelder zusammengeführt würde die Möglichkeit eröffnen, die Photovoltaik und die Elektrolyse von Wasser miteinander zu kombinieren. Die Wissenschaftler sehen vor ihrem geistigen Auge Anlagen am sonnigen Meeresstrand, wo das salzhaltige Wasser aufgespalten und der Wasserstoff in Tanks oder per Pipeline abtransportiert wird – hin zu Industrieanlagen etwa oder zu den Zapfsäulen für Autos mit Brennstoffzellen.