Modellierung, Simulation und Implementierung von Zellen für die solargetriebene Wasserspaltung

Eine integrierte Zelle für die solargetriebene Wasserspaltung besteht aus mehreren funktionellen Komponenten und kombiniert verschiedene photoelektrochemische (PEC‐)Prozesse auf unterschiedlichen Längen‐ und Zeitskalen. Der Gesamtwirkungsgrad eines derartigen Systems für die Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff (solar‐to‐hydrogen; STH) wird von der Leistung und den Materialeigenschaften seiner Einzelkomponenten sowie ihrer Integration, von seiner Gesamtarchitektur und den Betriebsbedingungen bestimmt. Dieser Aufsatz beschäftigt sich mit der Implementierung von solargetriebenen Prototypen für die Wasserspaltung auf der Basis von Modellierungen und Simulationen, welche die Wechselwirkungen zwischen den Einzelbauteilen in ihrer Gesamtheit berücksichtigen. Physik und Wechselwirkungen innerhalb der Zelle werden diskutiert, und die Anwendung des Zellmodells für die Bestimmung der benötigten Materialeigenschaften sowie beim Design von herkömmlichen und ungewöhnlichen Architekturen wird erörtert. Die durch Modellierung und Simulation geleitete Entwicklung integrierter solargetriebener Wasserspaltungszellen hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Mehrdimensionale Multiphysikmodelle haben Leitlinien für das Design von Halbleitern, Elektrokatalysatoren, flüssigen Elektrolyten und Membranelektrolyten geliefert. Dieser Aufsatz diskutiert die hieraus resultierenden Leitprinzipien und wesentlichen Erkenntnisse.