Solar-to-Hydrogen Efficiency (STH)
Die Entwicklung einer nachhaltigen Energiewirtschaft, die nicht auf limitierten fossilen Brennstoffen, sondern auf erneuerbaren Energien beruht ist eine dringende Aufgabe. Wasserstoff ist eine der führenden Alternativen für die Speicherung und den Transport von Energie unter der Voraussetzung, dass er effizient unter Benutzung von nachhaltigen Energiequellen produziert und sicher gespeichert werden kann. Die Probleme, die mit der elektrischen Energiespeicherung verbunden sind, können vermieden werden, da die Energie in der Form von chemischen Bindungen verwahrt wird. Solare Energie, die größte nachhaltige Energiequelle, besitzt das Potential, genug Leistung in der erforderlichen Größenordnung zur Verfügung zu stellen, wie sie für eine kohlendioxidfreie Herstellung von Wasserstoff erforderlich ist. Direkte, solare Wasserspaltung mit Hilfe von photokatalytischen oder photoelektrochemischen Prozessen ist eine vielversprechende Alternative zur zweistufigen Energieumwandlung von solarer Energie über elektrische Energie in chemische Energie. Dieser Weg besitzt das langfristige Potential wirtschaftlich attraktiver zu werden als das bereits etablierte zweistufige Verfahren. Es gibt heute weder Materialien noch Reaktoren oder Zellen, die alle notwendigen Voraussetzungen für eine ökonomisches Umsetzung der solaren Wasserspaltung erfüllen, da die Komplexität der photokatalytischen bzw. photoelektrochemischen Wasserspaltung kompliziertes Bauelementdesign und/oder die Benutzung von seltenen und teuren Materialien erzwingt.
Ein wesentlicher Schritt zur Entwicklung von photokatalytisch oder photoelektrochemisch leistungsfähigen Wasserspaltungssystemen ist, ähnlich wie bei Solarzellen, die Durchführung von standardisierten vergleichbaren Leistungsmessungen. Es gibt vor allem eine Messgröße, die sich international etabliert hat: Die Solar-to-Hydrogen Efficiency (STH), d.h. der Quotient aus der chemischen Energie, die durch das Verbrennen des erzeugten Wasserstoffs freigesetzt werden kann und der eingestrahlten Sonnenenergie. Falls die STH nicht zugänglich ist, wird vor allem in der photoelektrochemischen Wasserspaltung die Photostromdichte bei einer Spannung von 1,23 V als ein Leistungskriterium herangezogen. Für beides ist die Einstrahlung des globalen Standardspektrums AM1.5G notwendig. In der Arbeitsgruppe Funktionsmaterialien wurden mit Hilfe der Kombination Xenonlampe und AM1.5G Filter die notwendigen Strahlungsbedingungen geschaffen, um mit Hilfe eines Gaschromatographen oder eines Potentiostaten die STH oder die Photostromdichte zu bestimmen. Da neben der spektralen Verteilung auch die Energiedichte des Lichts wichtig ist, muss diese mit Hilfe einer kalibrierten Solarzelle eingestellt werden. Auch dies lässt sich mit dem beschriebenen Set-up einfach bewerkstelligen. Somit steht einer reproduzierbaren, internationalen Standards entsprechenden Charakterisierung von Photoelektroden und Photokatalysatoren nichts mehr im Wege.
Quelle: User Bericht zum Solar Simulator von Quantum Design Europe Universität Salzburg, Fachbereich Chemie und Physik der Materialien, Arbeitsgruppe Funktionsmaterialien.
