Nieuw: een zonnecel die brandstof levert

De zonnecel die direct waterstof levert komt eraan. Wetenschappers hebben er nu een gemaakt met een efficiëntie van tien procent.

Schrijver Ian McEwan liet zijn anti-held Michael Beard er een Nobelprijs mee winnen in de satirische roman ‘Solar’ (2010) : het ‘kunstmatige blad’, een apparaat dat zonlicht direct omzet in brandstof, zoals bladgroen zonlicht kan omzetten in suiker. Daarmee vervalt een van de belangrijke nadelen van gewone zonnecellen: dat zonnestroom moeilijk is op te slaan.

Sinds deze week is de zonnecel die brandstof levert, geen fictie meer. In het vakblad PNAS (Early edition online) kondigen deze week chemicus Tonio Buonassissi van het Massachusetts Institute of Technology en collega’s een drielaags-module aan die zonlicht en water omzet in waterstof (en zuurstof), met een efficiëntie boven de 10 procent. Waterstof is prima op te slaan voor later gebruik.

En nog belangrijker voor de energiesector is dat de vinding niet uit duur en zeldzaam palladium of platina bestaat, maar uit veelvoorkomende materialen als nikkel, mangaan en molybdeen. Een ander bestanddeel is kristallijn silicium, dat de laatste zeven jaar bijna tien keer zo goedkoop is geworden door de zonnecelhausse.

De eenvoudigste aanpak voor het maken van een ‘kunstmatig blad’ zou zijn om met gewone zonnecellen stroom op te wekken, en die stroom vervolgens te gebruiken voor de elektrolyse van water. Daarbij wordt water gesplitst in zuurstof en waterstof, dat goed te gebruiken is als brandstof.

Een nadeel van die tweestapsaanpak is dat je twee aparte installaties gebruikt, en dat in beide stappen, en de koppeling daartussen, efficiëntieverliezen ontstaan.

Daarom richt het kunstmatige-blad-onderzoek zich op gecombineerde panelen, waarin de lichtvangende elektrode ook katalysatormaterialen voor electrolyse bevat. Het invallende licht brengt elektronen in een halfgeleidermateriaal naar een hoger energieniveau. Die energetische elektronen worden ter plekke ingezet voor de chemische reactie waarbij twee watermoleculen worden gesplitst.

Die aanpak heeft als nadeel dat de stappen lastig afzonderlijk te optimaliseren zijn. Bovendien moet het licht-invangende gedeelte van de elektrode bestand zijn tegen de waterige oplossing van het chemische gedeelte.

Dit, stellen Buonassissi en collega’s, is een van de redenen waarom het lastig is om een efficiënt kunstmatig blad te maken. Zij presenteren nu een soort hybride-oplossing, waarin de stappen gescheiden zijn binnen één paneel. Eén laag bestaat uit vier in serie geschakelde zonnecellen, die elektrisch gekoppeld zijn aan twee diepergelegen lagen met daarin chemische katalysatoren als nikkelboride en nikkelmolybdeenzink.

Hun prototype zet water om in waterstof met – in de best presterende samenstelling – een efficiëntie van 10,2 procent.