Photovoltaische Wasserelektrolyse erreicht 31,3 % Solar-zu-H2-Wirkungsgrad unter Außenbetriebsbedingungen

Sonnenlicht in einen sauberen Brennstoff verwandeln

Wasserstoff wird oft als sauberer Brennstoff der Zukunft gepriesen, doch seine klimafreundliche Herstellung bleibt eine große Herausforderung. Diese Studie beschreibt ein kompaktes Gerät, das konzentriertes Sonnenlicht nutzt, um Wasser mit ungewöhnlich hoher Effizienz in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, und das unter realen Außenbedingungen arbeitet. Für Leser, die wissen möchten, wie wir Sonnenenergie für die Nacht speichern, saisonal verschieben oder die energieintensive Industrie ohne fossile Brennstoffe betreiben könnten, bietet diese Arbeit einen praktischen Ausblick.

Warum Wasserstoff aus Sonnenlicht wichtig ist

Solar- und Windenergie sind preiswert und sauber, stehen aber nicht immer dann zur Verfügung, wenn wir sie brauchen. Wasserstoff kann wie eine flexible Energiespeicherbatterie wirken: er lässt sich langfristig speichern, über weite Strecken transportieren und später wieder in Strom, Wärme oder als chemischer Rohstoff umwandeln. Der Haken ist, dass der heutige Großteil des Wasserstoffs aus Erdgas gewonnen wird, was große Mengen CO2 freisetzt. Die Spaltung von Wasser mit erneuerbarem Strom vermeidet diese Emissionen, doch typische Systeme vergeuden viel der eingehenden Sonnenenergie. Ein Wirkungsgrad deutlich über 15 Prozent wird als Schlüssel betrachtet, um Solarwasserstoff großtechnisch erschwinglich zu machen.

Eine kompakte Maschine von Sonne zu Wasserstoff

Die Forschenden bauten einen Prototyp-Modul namens HyCon, das zwei ausgereifte Technologien eng koppelt: leistungsstarke Solarzellen und Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM-)Wasserelektrolyseure. Ein Array aus vier kleinen Fresnel-Linsen konzentriert direktes Sonnenlicht etwa 200-fach auf vier fortschrittliche "Vierfach"-Solarzellen, die auf einer Kupferplatte montiert sind. Diese Zellen stapeln mehrere lichtabsorbierende Schichten, sodass sie ein breites Spektrum des Sonnenlichts nutzen und eine Spannung über 4 Volt erzeugen können. Auf der Rückseite derselben Platte sind zwei PEM-Elektrolysezellen direkt in Reihe mit den Solarzellen verbunden. Wenn das konzentrierte Sonnenlicht auf die Solarzellen trifft, treiben sie die Elektrolyseure ohne zwischengeschaltete Leistungselektronik an und spalten deionisiertes Wasser in getrennte Ströme von Wasserstoff- und Sauerstoffgas.

Wie das Design hohen Wirkungsgrad herausholt

Um einen hohen Umwandlungswirkungsgrad zu erreichen, müssen Solarzellen und Elektrolyseure in einem Betriebsbereich arbeiten, in dem die elektrische Abgabe der Zellen gut mit der Nachfrage der Wasserspaltung übereinstimmt. Das Team entschied sich sorgfältig dafür, vier Solarzellen parallel und zwei Elektrolysezellen in Serie zu schalten, sodass sich deren Strom-Spannungs-Kurven knapp unter dem Maximum-Power-Punkt der Solarzellen schneiden. Sie charakterisierten auch, wie reale Faktoren—etwa Schwankungen in der Sonneneinstrahlung und der Wassertemperatur—diesen Betriebspunkt im Tagesverlauf verschieben. Wärmeres Wasser senkt die für die Elektrolyse benötigte Spannung, weshalb die Forschenden das Zulaufwasser auf rund 60 Grad Celsius vorerhitzten und das Modul so auslegten, dass Abwärme der Solarzellen in künftigen Versionen die Elektrolyseure warmhalten kann. Diese Strategie hilft dem System, auch bei wechselnder Sonne und Wetterlage eine hohe Effizienz zu bewahren.

Rekordleistung im Freiland

Das HyCon-Modul wurde 13 Sommertage lang auf einer dualen Achs-Nachführvorrichtung in Freiburg im Breisgau getestet, die die Linsen direkt zur Sonne ausrichtete. Bei starker direkter Einstrahlung wandelte das Gerät bis zu 31,3 Prozent der eingehenden Sonnenenergie in die chemische Energie des Wasserstoffs um, gemessen am Heizwert (higher heating value) des Gases. Beim Spitzenwert arbeitete das Solarzellen-Array mit etwa 35 Prozent Wirkungsgrad und der Elektrolyse-Stapel mit etwas über 91 Prozent. Über einen vollen sonnigen Tag erreichte das Modul im Mittel nahezu 29 Prozent Effizienz und produzierte mehr als 60 Gramm Wasserstoff pro Quadratmeter Linsenfläche, ohne messbare Leistungsabnahme. Im Vergleich zu anderen solarbetriebenen Elektrolysesystemen lieferte die Kombination aus konzentrierenden Mehrfach-Junction-Solarzellen und direkt gekoppelten PEM-Elektrolyseuren den höchsten berichteten Wirkungsgrad unter realen Außenbedingungen.

Was das für die zukünftige grüne Energie bedeutet

Die Studie legt nahe, dass die direkte Kopplung von mehrschichtigen konzentrierenden Solarzellen an kompakte PEM-Elektrolyseure sehr effiziente Bausteine für die Produktion von Solarwasserstoff bilden kann, insbesondere in sonnigen, trockenen Regionen mit viel direkter Einstrahlung. Da der HyCon-Ansatz auf zusätzliche Leistungselektronik verzichtet, Licht und Wärme gut nutzt und durch Replikation des Moduls skalierbar ist, könnte er dazu beitragen, die Kosten für grünen Wasserstoff in Richtung Wettbewerbsfähigkeit mit fossilem Wasserstoff zu senken. Zwar sind weitere Verbesserungen im Wärmemanagement, im Solarzellen-Design und bei der großflächigen Auslegung nötig, doch zeigt diese Arbeit, dass die Umwandlung von Sonnenlicht in speicherbaren sauberen Brennstoff mit sehr hohem Wirkungsgrad keine Labor-Neugierde bleibt, sondern eine realistische Option unter realen Außenbedingungen darstellt.

Zitation: Martínez, J.F., Ohlmann, J., Smolinka, T. et al. Photovoltaic water electrolysis reaching 31.3% solar-to-H₂ conversion efficiency under outdoor operating conditions. Commun Eng 5, 78 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00610-x

Schlüsselwörter: Solarwasserstoff, Wasserelektrolyse, Konzentrierende Photovoltaik, Speicherung erneuerbarer Energien, grüner Wasserstoff