Pflanzen beziehen ihre Energie auf eine ganz andere Art und Weise als Menschen Energie gewinnen. Wenn ein Mensch Energie braucht, isst er Nahrung. Wenn eine Pflanze Energie benötigt, nutzt sie den Prozess der Photosynthese, um Kohlendioxid aus der Umwelt aufzunehmen und mithilfe des Sonnenlichts in Zucker umzuwandeln, die Art von Energie, die sie zum Leben braucht. Wissenschaftler haben daran gearbeitet, den Prozess der Photosynthese nachzubilden, indem sie versuchten, die Energie der Sonne auf neue, effektive und umweltfreundliche Weise zu nutzen, und die Forschung zur künstlichen Photosynthese hat interessante Ergebnisse geliefert.
Die Möglichkeit, künstliche Photosynthese zu produzieren, wurde erstmals im Jahr 2000 angekündigt, obwohl die Forschung zuvor in Planung war. Die Forscher verließen sich auf den 1953 entdeckten Honda-Fujishima-Effekt, der Titandioxid als Photokatalysator verwendet. Ein Photokatalysator beschleunigt Prozesse im Zusammenhang mit Licht und in diesem Fall Energie.
Aufgrund des wissenschaftlichen und geschäftlichen Interesses an der künstlichen Photosynthese und des Wunsches nach möglichen neuen Produkten, die sich daraus ergeben könnten, spaltete sich das Forschungsfeld in zwei Seiten. Dies führte zu zwei unterschiedlichen Ergebnissen: photoelektrochemische Zellen und farbstoffsensibilisierte Solarzellen. Jede Zelle arbeitet nach unterschiedlichen Prinzipien, versucht jedoch das gleiche Ergebnis zu erzielen: künstliche photosynthetische Energie, die für eine spätere Verwendung genutzt und gespeichert werden kann, was die Abhängigkeit der Welt von nicht erneuerbaren Energiequellen verringern würde.
Photoelektrochemische Zellen, auch PECs genannt, verwenden den elektrischen Strom von Wasser, um in einem als Elektrolyse bezeichneten Prozess Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Im Wasserstoff, einem „Energieträger“, kann dann Strom gespeichert und später zum Beispiel in Batterien genutzt werden. Es gibt zwei Arten von PECs, eine, die Halbleiteroberflächen verwendet, um die Sonnenenergie zu absorbieren und dabei zu helfen, Wassermoleküle zur Energienutzung aufzuspalten. Die andere Sorte verwendet gelöste Metalle, um Sonnenenergie aufzunehmen und den Prozess der künstlichen Photosynthese zu starten. Die gebräuchlichsten Metallkatalysatoren für diese Art von Reaktion sind Kobalt und Rhodium. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben festgestellt, dass diese Metalle für diese Art von Arbeit am effektivsten sind.
Der andere untersuchte Zelltyp, die farbstoffsensibilisierte Solarzelle, wird manchmal auch als Gratzel-Zelle oder Graetzel-Zelle bezeichnet. Wie PECs verwenden farbstoffsensibilisierte künstliche Photosynthesezellen einen Halbleiter, um Energie zu sammeln, normalerweise Silizium. In farbstoffsensibilisierten Zellen wird der Halbleiter verwendet, um die gesammelte Energie zu transportieren, und die Photoelektronen oder Energieteilchen werden mit speziellen Farbstoffen getrennt und nutzbar gemacht. Gratzel-Zellen gelten als die effektivste Form der künstlichen Photosynthese, die derzeit verfügbar ist, sowie als die kostengünstigste in der Herstellung. Die Nachteile sind hauptsächlich auf Temperaturbedenken im Zusammenhang mit den flüssigen Farbstoffen zurückzuführen, da diese bei niedrigeren Temperaturen gefrieren und die Energieproduktion einstellen können und sich bei höheren Temperaturen ausdehnen und brechen.
Auf dem Gebiet der künstlichen Photosynthese wird immer noch geforscht, insbesondere um bessere Katalysatoren und Energietransportmechanismen zu finden. Obwohl sie nicht die effektivste verfügbare Form der Energieerzeugung sind, besteht dennoch großes Interesse an ihnen aufgrund ihres hohen Ertragspotenzials, der geringen Herstellungskosten und der möglichen Auswirkungen auf die Umwelt. Wenn die künstliche Photosynthese zugänglich und zuverlässig gemacht werden könnte, könnte die Abhängigkeit der Welt von nicht erneuerbaren fossilen Brennstoffen stark reduziert werden.