DEPECOR – Direkte effiziente photoelektrokatalytische
CO2 Reduktion

CO2-Reduktion durch „künstliches Blatt“

In einer Solarzelle hat eine Absorberstruktur die Funktion, Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln.
Im Projekt „DEPECOR” wird ein sogenannter Multi-Absorber-Demonstrator entwickelt, der zu noch mehr in
der Lage ist: Er soll mittels künstlicher Photosynthese CO2 in Kohlenwasserstoffe umwandeln – ein „künstliches Blatt“. Diese können als Energieträger genutzt werden. Möglich ist die Reaktion durch Photoelektrokatalyse, für die direktes Sonnenlicht genutzt wird. Der Demonstrator, der den Photosynthese-Effekt von Blättern in der Natur kopiert, könnte helfen, den klimaschädlichen CO2-Ausstoß zu verringern und CO2 als Rohstoff nutzbar zu machen. „DEPECOR” verfolgt in seiner Forschung einen systemischen Ansatz, bei dem bereits etablierte, hocheffiziente Solarzellen aus der Photovoltaik kombiniert und für die CO2-Reduktion angepasst werden. Die Oberflächen der Solarzellen werden gezielt durch Korrosionsschutzschichten verändert. Zudem werden je nach Material und Form passende Katalysatoren ausgewählt.

Neue innovative Gerätestruktur

Damit das „künstliche Blatt“ in der Lage ist, CO2 mithilfe von Sonnenlicht zu reduzieren, ist der Aufbau der Zelle entscheidend: Sie muss eine Photospannung von circa drei Volt erzeugen. Dies ermöglichen Mehrfach-Absorber-Strukturen auf der Basis von III-V Halbleitern. Diese Solarzellen bestehen aus mehreren gestapelten Absorber- Strukturen (Teilzellen), die das Licht in verschie-denen Spektralbereichen aufnehmen. Das Spektrum des Sonnenlichts wird dadurch effektiv ausgenutzt und der
Energieverlust erheblich reduziert. Die Gesamtspannung setzt sich aus der Summe der Spannungen jeder Teilzelle zusammen – genug also, um die gewünschte chemische Reaktion direkt anzutreiben.
Das „DEPECOR”-Projekt gliedert sich in fünf Teile: Zunächst werden metallische Elektrokatalysatoren
entwickelt, die selektiv für die CO2-Reduktion und Sauerstoffentwicklung geeignet sind. Diese werden auf
III-V-Halbleitertestzellen mit einer dünnen Metalloxidschutzschicht übertragen. Danach werden die Dynamik
der Ladungsträger und die Grenzflächenrekombinationsprozesse untersucht, um die III-V Halbleiter, Katalysatoren und Schutzschichten zu optimieren. Parallel werden die
hocheffizienten Mehrfach-Absorber-Zellen für die Photoelektrokatalyse entwickelt. Diese werden getestet und für die nicht-assistierte Licht-induzierte CO2-Reduktion optimiert.

Gestärkte nationale und internationale Vernetzung

Die Technische Universität Ilmenau (TU-IL) entwickelt und testet die integrierten photoelektrokatalytischen
Halbzellen. Um die Stabilität der Zellen sowie Leistungsmerkmale zu erhöhen, wird an der Technischen Universität München (TUM) das Verfahren „atomic layer deposition“ durchgeführt. Dabei werden extrem dünne Metalloxidschichten auf den Halbzellen abgeschieden. Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) entwickelt hochaktive Katalysatoren, um diese im Zellenaufbau zu integrieren. Sowohl TUM, HZB, TU-IL als auch das Joint Center of Artificial Photosynthesis (USA) vermessen die Interaktion der Photokathode mit den Elektrolyten und die quantitative Entwicklung der Reaktionsprodukte. Zudem werden geeignete Mehrfachabsorber-Strukturen auf Substraten deponiert. AZUR SPACE Solar Power GmbH (AZUR) konzentriert sich auf Germanium- und III-V-Substrate. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
wird Abscheidungen auf Siliziumsubstraten vornehmen. Der assoziierte Partner École Polytechnique Fédérale de Lausanne untersucht die Aktivität von spezifischen Kupfer-Katalysatoren und unterstützt bei der Modellierung eines Prototyps. AZUR sowie die assoziierten Unternehmen BASF und Evonik beraten ebenfalls bei der Entwicklung des Prototyps.

Depecor-Projektblatt zum Download

Kontakt

Prof. Dr. Thomas Hannappel


Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften
Fachgebiet Grundlagen von Energiematerialien
Gustav-Kirchhoff 5
98693 Ilmenau
Telefon: 03677 692566
E-Mail: thomas.hannappel@tu-ilmenau.de