Ziel des Projekts H2Demo ist es, erstmals größere Demonstratoren für die direkte solare Wasserstoff-erzeugung herzustellen. Hierunter versteht man die Absorption des Sonnenlichts in einer Halbleiterstruktur, welche eine ausreichend große Photospannung > 1.6 Volt generiert, um Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Es werden in dem Projekt besonders vielversprechende Tandem-Absorber aus GaAsP/Si entwickelt, welche beste Chancen auf Wirtschaftlichkeit in Kombination mit hoher Effizienz und Skalierbarkeit aufweisen. Die III-V Materialien zeichnen sich durch eine sehr gute Stabilität aus und wurden bereits in den BMBF geförderten Projekten „III-V-Si“ und „MehrSi“ eingehend untersucht. Durch direktes Wachstum einer wenige Mikrometer dünnen III-V Schicht auf Silicium konnten Solarzellen hergestellt werden, welche 25.9% der Energie des Sonnenlichts in Strom wandeln – dies ist ein international beachteter Weltrekord für diese Technologie [1, 2]. Aber es bleibt Raum für Verbesserung, denn das Wirkungsgradpotential liegt sogar über 35%.

Im Projekt H2Demo werden die GaAsP/Si Tandem-Absorber an die Anforderungen für die Wasserstofferzeugung angepasst, Wachstumsbedingungen sowie die Schichtstruktur mit ihren etwa 20 Einzelschichten optimiert.

Zudem wird ein H2-Modulkonzept auf der Basis von theoretischen Simulationsrechnungen entwickelt. Die Tandem-Absorber werden mit Schutzschichten versehen, welche Korrosion verhindern, gleichzeitig aber elektronisch passivierende Eigenschaften aufweisen und den Ladungsaustausch ermöglichen. Auf die Schutzschichten werden Katalysatoren aufgebracht, z.B. nanostrukturiertes Rhodium oder Platin. Mit einem ähnlichen Ansatz und Tandem-Absorbern aus GaInP/GaInAs haben die Projektpartner bereits in 2018 den momentanen Wirkungsgradrekord von 19% für die direkte photoelektrochemische Wasserspaltung erreicht.

Für die Skalierung und weitere Verbesserung der Technologie werden mehrere Maßnahmen ergriffen: Es werden wirtschaftlichere Prozesse für die Herstellung von GaAsP/Si Tandem-Absorberschichten entwickelt, insbesondere durch eine Optimierung von Wachstumsgeschwindigkeit, Reaktordurchsatz und Gasausnutzung in der III-V Epitaxie. Neue Schutzschichten werden mittels Atom-Schicht-Abscheidungen ALD auf die Absorber aufgebracht. Es handelt sich hierbei um wenige nm dünne Schichten, welche teilweise schon in modernen Silicium Solarzellen zum Einsatz kommen. Für die Katalysatoren müssen neue Prozesse zur homogenen Abscheidung auf großen Flächen entwickelt werden. Diese Skalierung bringt neue Herausforderungen mit sich, ist aber ein entscheidender Schritt, um die Relevanz der direkten Wasserspaltung zu zeigen.

Am Ende des Projekts werden Module mit einer Größe von mindestens 1300 cm2 und einer Solar-zu-Wasserstoff Umwandlungseffizienz > 15% angestrebt. Die Materialien und Herstellungsprozesse werden dabei fortlaufend auf ihre Skalierbarkeit sowie Umwelt- und Wirtschaftlichkeitsaspekte hin überprüft. Das Konsortium aus fünf Firmen (davon drei KMUs), vier Universitätsgruppen und zwei außeruniversitären Forschungseinrichtungen stellt sich der Aufgabe den Nutzen und das Potential der direkten Wasserspaltung auf höchstem internationalem Niveau nachzuweisen.