Zur Erreichung der im Jahr 2021 festgelegten verschärften Klimaziele ist es unumgänglich nach Strategien zu suchen, um den aktuellen Energiebedarf durch „grüne Energie“ zu decken. Während die Photovoltaik eine schon weitgehend ausgereifte Technologie darstellt, die einen wachsenden Anteil der deutschen Stromversorgung ausmacht, ist die Speicherung dieser Energie essenziell, um eine flächendeckende Energieversorgung auch in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung zu gewährleisten.
In der Natur existiert bereits ein optimierter Prozess zur Speicherung solarer Energie: In der Photosynthese werden Kohlestoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) unter Nutzung von Sonnenenergie in chemische Energie in der Form energiereicher Kohlenwasserstoffe umgesetzt. Diese Reaktion kann durch die Kombination aus CO2-Reduktion und H2O-Oxidation in einer photoelektrochemischen Zelle technisch nachgeahmt werden. Die Realisierung dieser künstlichen Photosynthese bietet gleich mehrere Vorteile, die einen grundsätzlichen Unterschied für die zukünftige Energieversorgung machen könnten. Zum einen kann so solare Energie in Form energiereicher Chemikalien (z. B. Methansäure, Ethanol etc.) gelagert und transportiert werden, was eine flächendeckende Versorgung mit grüner Energie unabhängig von der vorhandenen Sonneneinstrahlung ermöglicht. Dabei kann auf die bereits bestehende Infrastruktur für fossile Brennstoffe zurückgegriffen werden. Weiterhin können in der Industrie anfallende CO2-Emissionen zur Erzeugung energiereicher Chemikalien, die unter anderem Ausgangsstoffe für die Kunststoff- oder Düngemittelindustrie darstellen, genutzt werden.
Besonders herausfordernd und bisher nur wenig effizient durchführbar ist derzeit noch die Teilreaktion der CO2-Reduktion. Zentrales Ziel des geplanten Promotionsvorhabens ist die Entwicklung einer neuartigen Photoelektrode zur effizienten CO2-Reduktion in einer photoelektrochemischen Zelle. Ein wichtiges Element ist dabei der Einsatz neuartiger (umweltfreundlicher und ungiftiger) Halbleiter-Quantenpunkte als flexible Plattform zur Entwicklung dieser Photoelektrode. In Quantenpunkten können grundsätzliche Eigenschaften mühelos durch die Anpassung verschiedener Parameter im Herstellungsprozess verändert, und somit auf die hier geforderten, spezifischen Gegebenheiten angepasst werden. Beispielsweise kann die Lichtabsorption so eingestellt werden, dass ein großer Teil des Sonnenspektrums tatsächlich effizient für die CO2-Umwandlung genutzt werden kann. Zudem bieten Quantenpunkte die einzigartige Möglichkeit den ansonsten umständlichen und verlustreichen Reaktionsweg zu energiereichen Produkten zu beschleunigen und so die CO2-Reduktionsreaktion effizienter ablaufen zu lassen.
Das vorgestellte Projekt eröffnet so nicht nur die Chance, einen wichtigen Beitrag zur Realisierung der künstlichen Photosynthese zur Umwandlung von CO2 in Chemikalien als mobile Energieträger zu leisten, sondern einen grundsätzlich verbesserten Werkzeugkasten für die Entwicklung effizienter Photoelektroden bereitzustellen.