Die Entwicklung klingt ein bisschen nach eierlegender Wollmilchsau. Die Module sind einfach, preiswert, gut und kombinieren zwei aktuelle Trends der Sonnenenergieforschung: Solarzellen mit einer Perowskit-Kristallstruktur und die solare Produktion von Wasserstoff. Sie stammen aus dem Labor von Michael Grätzel von der Ecole Polytechnique Fédérale in Lausanne (EPFL), wo früher auch ein ganz neuer Typ der Lichtwandler entwickelt wurde, die Farbstoffsolarzelle.
Beim neuesten Experiment leiten die Forscher den Strom aus der Perowskitzelle an Elektroden weiter, die in einem Wasserbehälter per Elektrolyse Wasserstoffgas erzeugen. Es gilt als wichtiger Energieträger der Zukunft, lässt sich leicht speichern und mit Kohlendioxid in das Erdgasäquivalent Methan umwandeln. Üblicherweise benötigt man zur Wasserspaltung teure Edelmetalle wie Platin oder Oxide von Seltenen Erden. "Unsere Katalysatoren sind dagegen billige Eisen- und Nickelhydroxide und wirken genauso gut", sagt EPFL-Forscher Jingshan Luo.
Solarzellen wecken zurzeit große Hoffnungen
Der Gesamtwirkungsgrad des Schweizer Systems ist mit 12,3 Prozent beachtlich (Science, Bd. 345, S. 1593, 2014). Ein Achtel der Energie des Lichts findet sich also später im Wasserstoff wieder. Das baut auf jüngste Erfolgsmeldungen zur solaren Wasserstofferzeugung auf. Amerikanische Wissenschaftler etwa berichten im August in PNAS von einem wasserstoffproduzierenden Solarmodul mit drei Elementen, das immerhin zehn Prozent Wirkungsgrad erreicht. Der Aufbau ähnelt dem EFPL-Konzept, und auch hier funktioniert die Wasserelektrolyse ohne teure Edelmetallkatalysatoren. Allerdings sind die Solarzellen aus Silizium.
"Perowskit-Solarzellen haben gegenüber Silizium einen großen Vorteil, denn sie liefern nicht nur 0,7, sondern ein ganzes Volt elektrische Spannung", sagt Luo. "Wir brauchen deshalb nur zwei statt drei oder mehr Zellen zur Wasserelektrolyse und können bezogen auf die Solarzellenfläche mehr Wasserstoff erzeugen."
Perowskit-Solarzellen wecken auch aus anderen Gründen zurzeit große Hoffnungen, vor allem weil ihre Wirkungsgrade für die reine Stromerzeugung seit ihrer Entdeckung in den Himmel geschossen sind: in nur fünf Jahren von knapp vier auf heute rund 20 Prozent. Dabei lassen sie sich auch noch aus billigen Allerweltsmaterialien herstellen. Zwei Schwachstellen haben sie allerdings: Von der in der Branche geforderten Haltbarkeit von 20 Jahren sind sie weit entfernt. Und sie enthalten geringe Mengen Blei. Doch Luo ist sicher: "Beide Probleme können in den nächsten Jahren gelöst werden."