Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben een zonnecel gemaakt die waterstof kan produceren. Daarvoor gebruiken ze materialen die ruimschoots voorhanden zijn, maar waarmee toch een goed rendement wordt behaald: 10,8 % in laboratoriumproeven. 

De Twentse nanowetenschappers van het MESA+-lab gebruiken een zonnecel van silicium, met bovenop een katalysator van nikkel-molybdeen. Licht valt op de zonnecel en wordt geabsorbeerd door het silicium. Via dat materiaal gaat de vrijgemaakte energie naar de katalysator. Daar wordt het aanwezige zwavelzuur omgezet in gasvormig waterstof. 

De zonnecel is een blokje van 1 bij 1 cm dat bestaat uit een miljoen kleine pilaartjes die allemaal een paar micrometer (miljoenste meter) uit elkaar staan. In de ruimte tussen de pilaartjes kan het licht binnenvallen. Daar kaatst het heen en weer tussen het dichte bos van paaltjes totdat het silicium de energie van het licht absorbeert, waardoor elektronen vrijkomen in het silicium.
 

Goed evenwicht

Een waterstofproducerende zonnecel kent veel problemen. Wouter Vijselaar, eerste auteur van het artikel over de zonnecel dat in het tijdschrift Nature Energy verscheen: ’Silicium absorbeert het licht, maar nikkel-molybdeen reflecteert het. Als er op de bovenkant van de cel te veel katalysator is, krijg je dus geen bruikbaar licht binnen.’ De onderzoekers moesten daarom een goed evenwicht zien te vinden tussen de hoeveelheid katalysator (die de productie van waterstof regelt) en de hoeveelheid licht die wordt opgevangen. 

Verder is het maakproces een priegelwerkje. ‘Je moet van de bovenkant van elk pilaartje een stukje ‘afslijpen’, anders hecht de katalysator niet. Maar te veel afslijpen zorgt weer voor een minder efficiënte zonnecel. En om het geheel echt goed te laten werken, moet je het silicium ook nog isoleren. Maar de katalysator moet juist niet geisoleerd zijn.’ En al dat gepriegel vindt ook nog plaats op een schaal van micrometers.
 

Nikkel, geen platina

Twente is de eerste die het lukte om een dergelijke zonnecel te bouwen met een fatsoenlijk rendement: 10,8 procent van het binnengevallen zonlicht wordt in de cel omgezet in waterstof. ‘En dat met materialen die relatief ruim voorradig zijn. Vaak gebruikt men bij dit soort techniek platina, maar dat is duur en zeldzaam. Nikkel is ruimschoots voorhanden, en hoewel molybdeen zeldzamer is, is er nog steeds meer van dan platina. Bovendien heb je er maar een beetje van nodig.’

Volgens Jurriaan Huskens, die ook meeschreef aan het artikel, moet het rendement omhoog naar 15 % om de kleine waterstoffabriek rendabel te maken. Het voordeel is dat de productiemethode opschaalbaar is. Vijselaar: ‘We gebruiken dezelfde technieken als de industrie. In principe is onze kleine zonnecel dus ook grootschalig te maken.’
 

Energie opslaan

Het streven is om dit soort waterstofproducerende zonnecellen massaal beschikbaar te maken. Dat is nodig, omdat zonne-energie nu eigenlijk moet worden gebruikt als het wordt opgewekt. Dat is vaak overdag, als mensen niet thuis zijn en dus minder energie nodig hebben. Met waterstof is die energie op te slaan via een chemische reactie, met relatief weinig verlies. 

Vijselaar denkt dat de zonnecel die waterstof produceert in relatief korte tijd een succes kan worden. ‘Wel moeten we dan eigenlijk nog een methode vinden om het waterstof vloeibaar op te slaan zonder dat het veel energie kost.’ In Nederland loopt er een test met waterstof dat kan worden getankt (lees: ‘Test met tankbare waterstof’).
 

Milieukosten

De onderzoekers van Universiteit Twente hebben bij hun onderzoek echter nog geen afweging gemaakt tussen de energiekosten om deze speciale zonnecel te maken enerzijds en de opbrengst anderzijds. Het bouwen van de kleine pilaartjes en het deponeren van de katalysator moet in een vacuüm gebeuren, en dat kost veel energie en geld. ‘Op grotere schaal zal het ongetwijfeld efficiënter kunnen, maar we weten op dit moment niet wat de milieukosten van het proces zijn’, aldus Vijselaar.