Die Philipps-Universität ist an Forschungsprojekt „H2Demo“ beteiligt. Sein Ziel ist „grüner Wasserstoff“ aus direkter solarer Wasserspaltung.
Als chemische und damit speicherbare Energieträger sind Wasserstofftechnologien das Bindeglied zwischen Energie- und Mobilitätswende. Doch es gibt einige Herausforderungen – vor allem was die nachhaltige und umweltverträgliche Herstellung großer Mengen von Wasserstoff betrifft. Eine mögliche Lösung könnte der Einsatz von Solarenergie sein.
In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt „H2Demo“ unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg arbeiten elf Partner an Demonstratoren für die direkte solare Wasserspaltung – mit dabei ist auch die Philipps-Universität, die mit über 580.000 Euro gefördert wird. Die Gesamtförderung des Projekts liegt bei 14 Millionen Euro.
Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser aufgespalten in Wasserstoff und Sauerstoff. Für diesen Vorgang wird elektrische Energie benötigt. Für die Produktion von sogenanntem „grünem Wasserstoff“ kommen erneuerbare Energien zum Einsatz.
Bislang geschieht das, indem Solar- oder Windstrom einen Wasser-Elektrolyseur antreibt. Einen Schritt weiter geht das Verfahren zur direkten solaren Wasserstofferzeugung über photoelektrochemische Prozesse. Darunter versteht man die Absorption des Sonnenlichts in einem Halbleitermaterial, das selbst eine ausreichend große Photospannung von mehr als 1.6 Volt generiert, um Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen.
Dazu eignen sich insbesondere sogenannte „Tandem-Absorber“, bei denen zwei absorbierende Materialien elektrisch seriell verschaltet werden, analog zu Tandem-Solarzellen, die in der höchsteffizienten Photovoltaik bereits eingesetzt werden. In kleinem Format wurde dieses Wasserstoffproduktionsverfahren bereits gezeigt. Das Ziel des Forschungsprojekts „H2-Demo“ is, erstmals größere Demonstratoren herzustellen. „Zu den Arbeitspaketen in H2-Demo zählt die Optimierung der III-V
Tandem-Absorber, die auf Silicium abgeschieden werden und deren Eigenschaften weiter verbessert und auf die spezifische Anwendung hin optimiert werden müssen“, erklärte Projektkoordinator Dr. Frank Dimroth. Er ist Abteilungsleiter III-V Photovoltaik und Konzentratortechnologie am Fraunhofer ISE. „Zudem werden Prozesse und Anlagen für einen späteren industriellen Einsatz skaliert und neue Prozesse mit hohem Durchsatz entwickelt“, ergänzte er.
Schließlich soll ein Demonstrator mit einer Fläche von 36 mal 36 Zentimetern gebaut und auf einem Testfeld installiert werden, um die solare Wasserstoffeffizienz – H2-Erzeugung und Moduleffizienz – im Detail zu messen. Die Philipps-Universität ist vor allem bei den strukturellen Untersuchungen der Tandem-Absorber mittels der Transmissionselektronenmikroskopie beteiligt.
„Wir werden schwerpunktmäßig die III-V/Si Grenzflächen beziehungsweise Pufferschichten charakterisieren“, erläuterte Prof. Dr. Kerstin Volz. „Dies ist eine kritische Schnittstelle für die Weiterentwicklung.“
Sie wird das Marburger Teilprojekt leiten. „Damit knüpfen wir direkt an unsere gemeinsamen Vorarbeiten in den Projekten ,III-V-Si‘ und ,MehrSi‘ mit dem Fraunhofer ISE und der TU Ilmenau an, in denen wir uns eine hohe Expertise in diesem Themenfeld aneignen konnten“, sagte Volz. Durch die erfolgreiche Zusammenarbeit sind den Partnern die Herausforderungen bei der weiteren Verbesserung der Strukturen bereits gut bekannt.
„Unser Ziel ist es, die Grenzfläche zwischen III-V und Silicium weiter zu verbessern und Rekombinationsraten zu senken sowie die Ausbildung von Durchstoßversetzungen zu reduzieren“, ergänzte Volz. Damit gehört die Philipps-Universität zu den Wegbereiterinnen und Wegbereitern zu größeren Demonstratoren und damit einer weiteren Verbesserung der bisherigen Technologien in diesem Bereich.
Das „H2Demo“-Projekt wird mit 14 Millionen Euro über einen Zeitraum von fünf Jahren gefördert und ist einer von mehreren Gewinnern des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ausgelobten Ideenwettbewerbs „Wasserstoffrepublik Deutschland“ im Bereich Grundlagenforschung. Die Projekte ergänzen die drei industriegeführten Wasserstoff-Leitprojekte, die ebenfalls noch im Frühjahr starten sollen.
* pm: Philipps-Universität Marburg