Waterstof gaat een centrale rol spelen als opslagmedium in duurzame energiesystemen. Een internationaal team van onderzoekers is er nu in geslaagd om de efficiëntie van de productie van waterstof te verhogen van directe zonne-watersplitsing tot een record van 19 procent. Dat deden ze door een tandemzonnecel van III-V-halfgeleiders te combineren met een katalysator van rhodium-nanodeeltjes en een kristallijne titaniumdioxidecoating. Teams van het California Institute of Technology, de Universiteit van Cambridge, Technische Universität Ilmenau, en het Fraunhofer Instituut voor zonne-energiesystemen ISE namen deel aan de ontwikkelingswerkzaamheden. Een deel van de experimenten vond plaats bij het Institute for Solar Fuels in het Helmholtz-Zentrum Berlijn.

Fotovoltaïsche energie is een steunpilaar van systemen voor de levering van hernieuwbare energie, en zonlicht is wereldwijd in overvloed beschikbaar - maar niet de klok rond. Een oplossing om met deze fluctuerende stroomopwekking om te gaan is het opslaan van zonlicht in de vorm van chemische energie, specifiek door zonlicht te gebruiken om waterstof te produceren. Dit komt omdat waterstof gemakkelijk en veilig kan worden opgeslagen, en op vele manieren gebruikt - of het nu in een brandstofcel is om rechtstreeks elektriciteit en warmte op te wekken, of als grondstof voor de productie van brandbare brandstoffen. Als je zonnecellen combineert met katalysatoren en extra functionele lagen om een ​​"monolithische foto-elektrode" te vormen als een enkel blok, dan wordt het splitsen van water bijzonder eenvoudig:de fotokathode wordt ondergedompeld in een waterig medium en wanneer er licht op valt, waterstof wordt gevormd aan de voorkant en zuurstof aan de achterkant.

Transparante anti-corrosielaag

Voor de hier onderzochte monolithische fotokathode, de onderzoeksteams combineerden extra functionele lagen met een zeer efficiënte tandemcel gemaakt van III-V-halfgeleiders, ontwikkeld bij Fraunhofer ISE. Hierdoor konden ze de oppervlaktereflectie van de cel verminderen, waardoor aanzienlijke verliezen worden vermeden die worden veroorzaakt door parasitaire lichtabsorptie en reflectie. "Hier zit ook de innovatie", legt prof. Hans-Joachim Lewerenz uit, Caltech, VS:"Omdat we in 2015 al een efficiëntie van ruim 14 procent hadden gehaald voor een eerdere cel wat destijds een wereldrecord was. Hier hebben we de anti-corrosie toplaag vervangen door een kristallijne titanium dioxide laag die niet alleen uitstekende anti-reflectie eigenschappen heeft, maar waaraan ook de katalysatordeeltjes hechten.” En prof. Harry Atwater, Caltech, voegt toe:"Bovendien we hebben ook een nieuw elektrochemisch proces gebruikt om de rhodium-nanodeeltjes te produceren die dienen om de watersplitsingsreactie te katalyseren. Deze deeltjes hebben een diameter van slechts tien nanometer en zijn daardoor optisch bijna transparant, waardoor ze bij uitstek geschikt zijn voor het werk."

Onder gesimuleerde zonnestraling, de wetenschappers bereikten een efficiëntie van 19,3 procent in verdund waterig perchloorzuur, terwijl het nog steeds 18,5 procent bereikt in een elektrolyt met neutrale pH. Deze cijfers benaderen de theoretische maximale efficiëntie van 23 procent die kan worden bereikt met de inherente elektronische eigenschappen voor deze combinatie van lagen.

"De kristallijne titaniumdioxidelaag beschermt niet alleen de eigenlijke zonnecel tegen corrosie, maar verbetert ook het ladingstransport dankzij de voordelige elektronische eigenschappen", zegt dr. Matthias May, die een deel van de efficiëntiebepalingsexperimenten uitvoerde bij het HZB Institute for Solar Fuels in het voorloperlaboratorium van de Solar-Fuel Testing Facility van de Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF). Het nu gepubliceerde recordcijfer is gebaseerd op werk dat May als promovendus aan de HZB al was begonnen en waarvoor hij in 2016 de Helmholtz Vereniging Promotieprijs voor het gebied van energieonderzoek ontving. tot bijna 100 uur. Dit is een grote vooruitgang ten opzichte van eerdere systemen die al na 40 uur waren gecorrodeerd. er is nog veel te doen", May legt uit.

Dat komt omdat het nog steeds fundamenteel onderzoek is naar kleine, dure systemen in het laboratorium. Echter, de onderzoekers zijn optimistisch:"Dit werk laat zien dat op maat gemaakte tandemcellen voor directe zonnewatersplitsing het potentieel hebben om efficiënties van meer dan 20 procent te bereiken. Een benadering hiervoor is om nog betere bandgap-energieën te kiezen voor de twee absorberende materialen in de tandemcel. En een van de twee zou zelfs van silicium kunnen zijn", legt prof. Thomas Hannappel uit, TU Ilmenau. Teams van Fraunhofer ISE en TU Ilmenau werken aan het ontwerpen van cellen die III-V-halfgeleiders combineren met goedkoper silicium, wat de kosten aanzienlijk zou kunnen verlagen."