Photonen‑Aufkonversion könnte das Potenzial von Solarwasserstoff erweitern

Wenn es darum geht, Sonnenlicht in nutzbare Energie umzuwandeln, wurde ein großer Teil der Anstrengungen auf Photovoltaik konzentriert, da dies eine Methode ist, die einen großen Teil der Sonnenenergie in Strom umwandeln kann.

Das bedeutet jedoch nicht, dass dies die effizienteste Option für alle Anwendungen ist. Zum Beispiel führt das Ziel, grünen Wasserstoff zu produzieren, zu einem mehrstufigen Prozess, bei dem in jedem Schritt Effizienz verloren geht: Sonnenlicht → Strom → Übertragung → Elektrolyse → Wasserstoff.

Das Problem ist, dass selbst mit den richtigen Katalysatoren der größte Teil des Sonnenlichts im sichtbaren und infraroten Bereich liegt, der einfach nicht energiereich genug ist, um Wassermoleküle in Wasserstoff zu spalten. Selbst mit Siliziumkarbid zur Steigerung der Photokatalyse‑Effizienz ist es noch nicht ideal. Zum großen Teil ist nur der ultraviolette (UV) Teil des Lichtspektrums stark genug.

Deshalb könnte die Entdeckung japanischer Forscher an der Kyushu University und dem Institute for Molecular Science, SOKENDAI, dass eine neue Festkörpermethode zur Erhöhung der Photonenenergielevels verwendet werden kann, ein Wendepunkt für die zukünftige Produktion von grünem Wasserstoff sein. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der renommierten Zeitschrift Nature Communications¹ unter dem Titel „Sterisch geschützte π‑Elektronensysteme für effiziente Festkörper‑Photonen‑Aufkonversion“.

Von sichtbarem zu UV‑Licht

Photokatalyse von Wasser zu Wasserstoff könnte die Produktion grüner Energie radikal steigern. Das liegt daran, dass grüner Wasserstoff ein fehlendes Schlüsselelement für die Speicherung von Energie über Wochen und Monate bei wenig Sonnenlicht oder ohne Wind ist und zudem der perfekte Brennstoff zur Dekarbonisierung von Sektoren wie Schifffahrt und Luftfahrt, entweder direkt oder durch die Produktion von Ammoniak und künstlichem Kraftstoff, darstellt. Leider ist jedoch nur UV stark genug, um die Photokatalyse durchzuführen.

„Obwohl anorganische Photokatalysatoren, die ultraviolettes (UV) Licht verwenden, eine hocheffiziente photokatalytische Wasserspaltung erreicht haben, leiden sie unter dem geringen UV‑Anteil im Sonnenlicht (etwa 3 % im Bereich von 300–400 nm).“

Die Alternative könnte jedoch nicht ein besserer Katalysator sein, sondern die Umwandlung des weitaus reichlicheren sichtbaren Lichts in UV, also die „Photonen‑Aufkonversion“.

Die Forscher konzentrierten sich auf einen Prozess, der als Triplet‑Triplet‑Annihilation-basierte Photonen‑Aufkonversion (TTA‑UC) bezeichnet wird. In seiner einfachsten Erklärung verschmelzen dabei zwei niederenergetische Photonen zu einem einzelnen, höherenergetischen Photon, indem sie von einem Akzeptormolekül absorbiert und anschließend wieder emittiert werden.

Quelle: Nature

Optimierung der Stabilität von Photon‑Aufkonversion

Von flüssig zu Kristallen

Bisher haben Methoden zur Aufkonversion mit Molekülen wie 1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS‑Nph) und 2,5-diphenyloxazole (PPO) gute Quantenausbeuten (ΦUC), jedoch stellt die Flüchtigkeit des Lösungsmittels eine kritische Einschränkung für Geräteanwendungen und den Langzeiteinsatz dar.

Eine praktische Lösung besteht stattdessen darin, stabile Materialien zu benötigen, die in großem Maßstab eingesetzt werden können, mit minimaler bis keiner Wartung, sodass ganze Felder von photokatalytischen Konvertern zur Massenproduktion von grünem Wasserstoff eingesetzt werden können.

In Kristallen und festen Akzeptoren kann ein Phänomen namens Singulett‑Quenching die Quantenausbeute reduzieren.

Die Forscher haben eine Alkylketten‑Substitution (Hinzufügen längerer Kohlenstoffketten) in den als Akzeptoren verwendeten organischen Molekülen eingesetzt, um sowohl die Stabilität zu erhöhen als auch das Auftreten von Singulett‑Quenching zu reduzieren.

Quelle: Nature

Messung der Kristallleistung

Die Forscher verwendeten ein Molekül namens DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene) mit einer nahezu perfekten Quantenausbeute von 96 % in flüssiger Form (Lösung). In Kristallform sinkt die Ausbeute jedoch stark.

Durch das Hinzufügen zusätzlicher Kohlenstoffketten zum Molekül kann die Kristallform von DHI Quantenausbeuten von bis zu 64 %–69 % erreichen. Diese hohen Ergebnisse zeigen, dass die Donormoleküle gleichmäßig im Akzeptorkristall verteilt sind, was eine effiziente Triplett‑Sensibilisierung ermöglicht.

Quelle: Nature

Das Material kann auch mit einfachen Film‑Bildungstechniken hergestellt werden, wie z. B. Gießen bei Raumtemperatur und Spin‑Coating, ohne dass eine spezielle Wärmebehandlung erforderlich ist, was seine Relevanz für zukünftige industrielle Großanwendungen wahrscheinlicher macht.

Der Prozess ist zudem sauerstofftolerant und erfordert ihn sogar, was bedeutet, dass er nicht in einer versiegelten, sauerstofffreien Umgebung ablaufen muss – ein weiteres wichtiges Element für kommerzielle Anwendungen.

„TTA‑UC wird aktiviert, wenn Sauerstoff im System durch Umwandlung in Singulett‑Sauerstoff verbraucht wird. Der iBu‑DHI/Ir(ppy)3‑Film zeigte Aufkonversion in Luft selbst bei intensiver Bestrahlung (λdt = 370 nm, Iex = 2,0 W cm⁻²) für mehr als 1 h.“

Quelle: Nature

Die Leistung von Kristallen hängt im Allgemeinen von der mikroskopischen Struktur auf atomarer Ebene ab. Daher führten die Forscher zunächst theoretische Berechnungen durch, um die wahrscheinliche Struktur dieser Kristalle zu bestimmen.

Sie testeten anschließend den Kristall mittels Röntgen‑Kristallographie und stellten fest, dass die Röntgen‑Beugungsmuster der Einzelkristalle und der spin‑beschichteten Filme ähnlich waren, was erklärt, warum diese Methode funktionierte.

Quelle: Nature

Das bedeutet nicht, dass die Kristalle nicht weiter optimiert werden könnten; eine noch höhere Ausbeute ist theoretisch mit einer präziseren Methode zur Kontrolle der Bildung einzelner Kristalle und ihrer Anordnung in einer dünnen Schicht möglich.

„Die Leistung des derzeitigen Festkörper‑Vis‑zu‑UV‑TTA‑UC‑Systems könnte weiter verbessert werden, indem die molekulare Struktur des Donors optimiert und ein kontrollierter Kristallisationsprozess eingesetzt wird.“

Zukünftige Anwendungen

Derzeit wird die Wasserstoffproduktion von „grauem Wasserstoff“ dominiert, der aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird, während ein kleiner, aber wachsender Anteil aus erneuerbarer Energie, also „grünem Wasserstoff“, stammt, der jedoch noch Schwierigkeiten hat, wirtschaftlich mit anderen Brennstoffen konkurrenzfähig zu sein.

Letztendlich könnte die direkte Nutzung des Sonnenlichts zur Wasserstoffproduktion, ohne massive Stromübertragung, Batterien, Kabel und Elektrokatalysatoren, die Gesamtkosten einer solchen Anlage erheblich senken. Das Weglassen von Zwischenschritten würde zudem die Gesamteffizienz der Produktion von grünem Wasserstoff verbessern – ein ernstes Problem bei Verfahren, die Elektrolyse verwenden.

„Das Designprinzip der π‑geschützten DHI‑Chromophore, das in dieser Studie entwickelt wurde, wird auf zahlreiche Chromophore ausgeweitet werden. Es ermöglicht hervorragende TTA‑UC‑Eigenschaften in dünnen Filmen, die durch einfaches Spin‑Coating und Drop‑Casting hergestellt werden, ebnet den Weg für breite Anwendungen und verspricht, die photofunktionale Chemie mit angeregten Tripletts zu revolutionieren.“

Solche neuartigen Festkörpermaterialien mit guter Stabilität könnten kommerziell nutzbare Photonik‑Materialien der nächsten Generation ermöglichen, indem sie niederintensive, reichlich vorhandene Photonen in wasserstofferzeugende, hochintensive UV‑Photonen umwandeln.

Investitionen in fortschrittliche Solarenergie

First Solar

Derzeit werden die meisten Photovoltaik‑Module der Welt in China hergestellt, dank des umfangreichen Ökosystems des Landes in der Produktion von Polysilizium und der Fertigung von Solarzellen.

Allerdings gibt es neben siliziumbasierten Solarzellen auch andere Technologien, und einer der Überlebenden der Solarindustrie im Westen, First Solar, führt in diesem Bereich mit Cadmium‑Tellurid‑Solarzellen. Diese sind sowohl einfacher herzustellen (Dünnschichttechnologie) als auch effizienter als siliziumbasierte Zellen, wenn auch mit höheren Rohstoffkosten.

Diese Zellart ist zudem langlebiger, was die Berechnung der Lebenszykluskosten einer Solarzelle und ihrer Abschreibung sowohl für Hausbesitzer als auch für Versorgungsunternehmen verändern kann. Dies gilt besonders, da der rasche Fortschritt bei der Solarzellenleistung und die sinkenden Kosten in den letzten Jahren nachgelassen haben.

Quelle: First Solar

Da die Produktion von Cadmium‑Tellurid‑Zellen ein weitgehend automatisierter Fertigungsprozess ist, ist sie relativ weniger empfindlich gegenüber Unterschieden bei den Arbeitskosten. Dies kann die Produktion in westlichen Ländern deutlich wettbewerbsfähiger machen, insbesondere wenn sie lokal verkauft werden, und es eliminiert Versandkosten aus der Gleichung.

Statt mehrerer Fabriken, bei denen jeder Akteur auf ein Segment wie die Polysilizium‑Reinigung spezialisiert ist und die Herstellung einer Solarzelle viele Tage dauert, kann First Solar von Rohmaterialien zum Endprodukt in weniger als 4 Stunden gelangen.

Quelle: Department Of Energy

Langfristig erwartet First Solar, das Cadmium‑Tellurid aus alten Zellen vollständig recyceln zu können, und 90 % der gesamten Solarzellen. Die restlichen 5‑10 % des recycelten Modulabfalls bestehen hauptsächlich aus feinen Glaspartikeln, die von Staubkontrollsystemen und Hochleistungspartikelfiltern (HEPA) erfasst werden.

Dies könnte die Materialkosten senken, die ökologischen Kosten der Rohstoffgewinnung entfernen und jegliche Verschmutzungsrisiken beseitigen.

„Mit jedem verkauften Modul verkauften wir auch die Dienstleistung, die Module am Ende ihrer Lebensdauer abzuholen und zu recyceln. Das war im Grunde 8 Jahre bevor die Regulierung in Europa eintrat. Wir haben jetzt die Richtlinie für Elektronikabfälle, in der PV ein Teil ist.“

Andreas Wade – Global Sustainability Director at First Solar Future Techs

Abgesehen von Cadmium‑Tellurid erforscht First Solar auch noch fortschrittlichere Solarzelltechnologien, wie Perowskit‑ und Cadmium‑Tellurid‑Perowskit‑Hybridzellen, die eine höhere Effizienz und noch mehr Haltbarkeit aufweisen könnten.

Langfristig könnte die Erfahrung von First Solar bei der Produktion von Dünnschicht‑Photovoltaik‑Paneelen auch auf Photokatalysator‑Zellen zur Wasserstoffproduktion angewendet werden.

Insgesamt ist First Solar eine hervorragende Aktie für Investoren, die in den Solarenergie‑Boom mit Fokus auf westliche Produzenten investieren möchten, anstatt auf die geopolitisch sensibleren chinesischen Produzenten.

(Sie können mehr über First Solar in unserem Investitionsbericht, der dem Unternehmen gewidmet ist und über Solarenergie in unserem Bericht „The Solar Age – A Bright Future To Mankind“)

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu First Solar (FSLR) Aktien

Referenzierte Studie

^{1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73898-0}  auf Deutsch.