Principia wil graag een (bescheiden) bijdrage leveren aan de reputatie van de UT. Daarom proberen we om in het WB alumni Nieuwsbulletin elke keer kort te berichten over een Twentse succes-story. Na de artikelen over “Wearable robots” en over de opsporing van kanker mbv nano-technologie in de vorige uitgaven dit keer een kort berichtje over een Twentse ontwikkeling van zonnecellen voor de productie van waterstof dmv zonlicht.
Een nieuwe zonnecel in opkomst
Wetenschappers van de afdeling Molecular Nanofabrication hebben een nieuwe zonnecel ontwikkeld, waarmee de efficiency van waterstofproductie vanuit zonlicht met een factor vier kan worden verbeterd. Bovendien bevat deze nieuwe zonnecel geen schaarse materialen zoals platinum, maar is deze opgebouwd uit materialen die overvloedig voorhanden zijn, zoals silicium, nikkel en molybdeen.
In februari 2018 verdedigde Wouter Vijselaar zijn thesis over solar-to-fuel- cell research, en ontving hij voor zijn dissertatie een “cum laude”.
De omzetting van zonne-energie in zonnebrandstof is een onmisbare technologie bij de transitie van fossiele brandstoffen naar het gebruik van duurzame energiebronnen, zoals wind en zon. Als zonlicht kan worden omgezet in een energiedrager die energietransport (en opslag) mogelijk maakt – zoals waterstof – zal de toepassing van zonne-energie drastisch toenemen. De huidige zonnecellen zijn echter niet erg efficient, deels als gevolg van hun platte, twee-dimensionale ontwerp. Vijselaar: “De hoogste efficiencywaarden zijn ca 2,5 %, en dus besloten we om een efficiente zonnecel te ontwerpen.
In de literatuur vonden we een idee van een driedimensionaal ontwerp, dat was gebaseerd op de toepassing van miro-draadjes van silicium. Deze kleine draadjes zijn slechts 4 micometer in diameter, ongeveer 1/20 van een menselijke haar. De efficiency werd geoptimaliseerd door te experimenteren met de lengte en met de “dichtheid” van de draadjes. Een optimum werd gevonden bij een lengte van 40 micrometer en bij een dichtheid van 2 miljoen draadjes per vierkante centimeter. In dit “oerwoud” van dicht op elkaar gepakte siliciumdraadjes wordt de zonne-energie vastgehouden en omgezet in elektriciteit. Door het driedimensionale ontwerp kan terugkaatsing van het zonlicht worden gereduceerd, en kan het totale oppervlak worden vergroot. Daardoor kan twee keer zoveel zonlicht worden vastgehouden in vergelijking met een tweedimensionale zonnecel.
Echter, de silicium draadjes veroorzaken grote verliezen bij de productie van waterstof. Dat kan verbeterd worden door gebruik te maken van een katalysator. Platinum zou hiervoor zeer geschikt zijn, maar is duur en zeldzaam. Daarom werd gekozen voor het “ouderwetse” nikkelmolybdeen. Het probleem was nu, hoe deze katalysator kon worden “gecombineerd” met de kleine siliciumdraadjes. Een oplossing werd gevonden door de molybdeen te plaatsen op het uiteinde van de draadjes. Daarvoor werd een speciale techniek ontwikkeld.
Op deze manier ontstond een zonnecel, waarbij in de microdraadjes zonlicht wordt omgezet in elektriciteit, en daarna de katalysator deze elektriciteit omzet in waterstof.
Het ontwerp werkt op laboratoriumschaal. Voordat commercialisering is nu een opschaling nodig. Ook fabrikagemethoden moeten worden ontwikkeld. Maar eerst wil het team het ontwerp nog verder verbeteren. Vijselaar: ”volgens de natuurkundige wetten kunnen we de eficiency nog verder verhogen door naast silicium nog een tweede lichtabsorbatiemateriaal toe te passen. We zijn op zoek naar een slim ontwerp om dit mogelijk te maken”.
Bron: “U today”