Kassel 22.03.2021 (pm) 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 Marburg, die mit über 580.000 Euro gefördert wird. Die Gesamtförderung des Projektes liegt bei 14 Millionen Euro.

Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser aufgespalten in Wasserstoff und Sauerstoff, ein Vorgang, für den elektrische Energie benötigt wird. Für die Produktion von grünem Wasserstoff kommen hier erneuerbare Energien zum Einsatz. Bislang geschieht dies, 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, welches selbst eine ausreichend große Photospannung (> 1.6 Volt) generiert, um Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Es 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. Ziel des Forschungsprojekts „H2-Demo“ ist es, 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“, sagt Projektkoordinator Dr. Frank Dimroth, 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“, ergänzt er. Schließlich soll ein Demonstrator mit einer Fläche von 36×36 cm² gebaut und auf einem Testfeld installiert werden, um die solare Wasserstoffeffizienz – H₂-Erzeugung und Moduleffizienz – im Detail zu messen.

Die Philipps-Universität Marburg ist vor allem bei den strukturellen Untersuchungen der Tandem-Absorber mittels der Transmissionselektronenmikroskopie beteiligt. „Wir werden schwerpunktmäßig die III-V/Si Grenzflächen bzw. Pufferschichten charakterisieren. Dies ist eine kritische Schnittstelle für die Weiterentwicklung“, sagt Prof. Dr. Kerstin Volz, die das Marburger Teilprojekt leiten wird. „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“, sagt 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“, ergänzt Volz. Damit gehört die Universität Marburg zu den Wegbereiterinnen und Wegbereitern zu größeren Demonstratoren und damit einer weiteren Verbesserung der bisherigen Technologien in diesem Bereich.

Weitere „H2Demo“ Projektpartner sind die folgenden Firmen und Forschungseinrichtungen: AZUR SPACE, Helmholtz Zentrum Berlin, HQ Dielectrics, LayTec AG, Plasmetrex GmbH, SEMPA, Technische Universität Ilmenau, Technische Universität München sowie Universität Ulm.

Website des Projektes