Nanodraadjes zorgen voor tien keer efficiëntere ‘zonnebrandstofcel’

Binnen het BioSOlar Cells project hebben onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) en Stichting FOM een veelbelovend prototype ontwikkeld van een zonnecel die brandstof oplevert. Met als basismateriaal galliumfosfide is hun zonnecel in staat om uit vloeibaar water de schone brandstof waterstofgas te vormen. Waterstofgas kan dienen als schone brandstof in de chemische industrie of in brandstofcellen om  bijvoorbeeld auto’s aan te drijven.
Nieuw is dat de onderzoekers het galliumfosfide in de vorm van piepkleine nanodraden verwerkten. Daarmee krikten ze het rendement met een factor tien omhoog. En dat met tienduizend keer goedkoper materiaal.

Zonnebrandstofcel
Waterstofgas kan ook worden geproduceerd door een bestaande siliciumzonnecel aan een batterij te koppelen, maar dat is erg duur. Veel onderzoekers richten zich daarom op het vinden van een halfgeleidermateriaal dat in staat is om in één klap zowel het zonlicht om te zetten in elektrische lading als het water kan splitsen; een soort ‘zonnebrandstofcel’. De onderzoekers van TU/e en FOM zien hun gedroomde kandidaat in galliumfosfide (GaP), een samenstelling van gallium en fosfide die ook als basis dient voor bepaalde kleuren leds.
 
Een factor tien omhoog
GaP heeft gunstige elektrische eigenschappen, maar het nadeel dat het moeite heeft om licht op te nemen als het de vorm heeft van een groot, plat oppervlak zoals het gebruik was in GaP-zonnecellen. De onderzoekers verholpen dit probleem door een rooster te maken van piepkleine nanodraadjes GaP, van vijfhonderd nanometer (een miljoenste millimeter) lang en negentig nanometer dik. Het rendement waarmee het waterstof werd gewonnen schoot plots een factor tien omhoog, naar 2,9 procent. Een record voor GaP-cellen, ook al is dat nog enigszins verwijderd van de vijftien procent die siliciumzonnecellen gekoppeld aan een batterij behalen.
 
Tienduizend keer minder materiaal
Volgens Erik Bakkers van de TU Eindhoven gaat het echter niet alleen om het rendement – waar overigens nog veel ruimte tot verbetering zit: “Voor de nanodraadjes hadden we tienduizend keer minder van het kostbare GaP nodig dan in cellen met een plat oppervlak. Dat maakt dit soort cellen in potentie vele malen goedkoper”, zegt Bakkers. “Daarnaast is GaP ook in staat om zuurstof uit het water te onttrekken – dan heb je feitelijk een brandstofcel waar je zonne-energie tijdelijk in kunt opslaan. Kortom, voor een toekomst met zonnebrandstoffen kunnen we denk ik niet meer om galliumfosfide heen.”
 
Referentie
Anthony Standing et al., Efficient water reduction with gallium phosphide nanowires, Nature Communications (17 juli 2015), DOI: 10.1038/nscomms8824

Energie uit zonlicht beter benutten

De zon levert ons energie in overvloed. Energie die we duurzaam kunnen benutten als het ons lukt om die energie effectief op te vangen en vast te leggen. BioSolar Cells is gericht op de verbetering van het systeem waarmee planten, algen en sommige bacteriën de energie uit zonlicht vastleggen. Daarmee levert dit onderzoeksprogramma een bijdrage aan een duurzamer productie van voedsel, energie en groene grondstoffen voor de industrie.

Meer voedsel, duurzame energie en een biobased economie

Wereldwijd neemt de vraag naar duurzaam geproduceerde energie, voedsel en grondstoffen voor de industrie toe. We moeten immers een antwoord vinden op de milieugevolgen van fossiele brandstoffen (klimaatverandering, vervuiling), de problemen die gepaard gaan met afhankelijkheid van import van energie en grondstoffen uit politiek onstabiele regio’s, een groeiende wereldbevolking die gevoed moet worden en toename van de welvaart. De mogelijkheden om het landbouwareaal uit te breiden zijn beperkt. Daarom moeten we het zoeken in een betere benutting van zonne-energie. Terwijl de aandacht daarbij vaak uitgaat naar fotovoltaïsche zonnecellen richt BioSolar Cells zich op nieuwe mogelijkheden met fotobiologische zonnecellen.

Wat is BioSolar Cells?

De zon als duurzame energiebron

In Nederland halen we op dit moment nog geen 10% van onze stroom uit de zon. Volgens Europese afspraken moet Nederland in 2020 circa 35% van zijn stroom uit duurzame bronnen halen. En voor transportbrandstoffen zijn we nog steeds grotendeels afhankelijk van fossiele bronnen, die langzaam maar zeker uitgeput raken. In potentie is de zon onze belangrijkste, duurzame energiebron.

Mogelijkheden van zonne-energie

Rechtstreekse conversie van CO2

We hebben schone brandstoffen en grondstoffen voor de chemische industrie nodig. Ook daarbij kan de zon ons helpen. Nu gebeurt dat volop in de vorm van biomassa: organische restproducten uit de bosbouw, landbouw en industrie worden gebruikt als bron van energie en zijn na enige bewerking (bioraffinage) geschikt als bron van een groot aantal chemische componenten. Met BioSolar Cells kunnen we met behulp van energie uit zonlicht water en CO2 ook rechtstreeks omzetten in brand- en grondstoffen. Energetisch gezien is dat gunstiger dan de route via biomassa.

Rechtstreekse conversie van CO2

Algen, planten en kunstmatige bladeren

Algen zijn een goede grondstof voor brandstoffen, voeding en materialen. Daarom doet BioSolar Cells onderzoek naar het efficiënt produceren van algen. Een ander belangrijk deel van het onderzoek gaat over fotosynthese. Kun je fotosynthese in planten verbeteren, dan kun je gewassen sneller laten groeien. BioSolar Cells onderzoekt ook technische systemen die fotosynthese kunnen nabootsen: kunstmatige bladeren.

Onderzoek van BioSolar Cells

Onderwijs

Om innovaties op het gebied van energie kans van slagen te geven besteedt BioSolar Cells veel aandacht aan onderwijsactiviteiten voor het middelbaar-, hogerberoeps- en wetenschappelijk onderwijs. Bijvoorbeeld in de vorm van materiaal voor profielwerkstukken, kleinschalige, in de klas eenvoudig toepasbare experimenten, en speciale programma's voor bachelor en masters opleidingen.

BioSolar Cells en onderwijs

Debat

Energiepolitiek, voedselvoorziening, klimaatverandering, biobased economie en moderne technologie: Allemaal zijn ze onderwerp van maatschappelijk debat. Als op grote schaal gewassen worden geteeld voor de productie van biobrandstoffen, dan heeft dat mogelijk gevolgen voor de voedselvoorziening van arme bevolkingsgroepen en de natuur. Over klimaatverandering en de manier waarop we dat moeten tegengaan bestaan uiteenlopende opvattingen. Dat geldt ook voor het toepassingen van sommige nieuwe technologieën, zoals genetische modificatie en nanotechnologie.

Debat over Biosolar Cells

Deelnemers

Aan BioSolar Cells nemen 9 Nederlandse onderzoekinstellingen en meer dan dertig bedrijven uit buiten- en binnenland deel.

 


Doorzoek de website