Zuid-Koreaanse zonnecel splitst water met wereldrecord-efficiëntie

Groene waterstof wordt gezien als een belangrijke bouwsteen voor een schone energievoorziening, maar de productie ervan kost vaak veel stroom of gebeurt juist met fossiele brandstoffen zoals aardgas. Een team van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Zuid-Korea laat zien dat het ook anders kan: met alleen zonlicht en water, zonder externe elektriciteitsbron. Hun apparaat zet zonlicht om in waterstofgas met een rendement van 7,9 procent. Dat is het hoogste percentage dat ooit is gemeten bij dit soort zelfvoorzienende, organische zonnecellen.

Twee lagen voor meer spanning

Om water te splitsen in waterstof en zuurstof is minimaal 1,23 volt nodig. Eén enkele laag lichtgevoelig materiaal haalt die spanning niet. Daarom stapelden de onderzoekers twee lichtabsorberende lagen op elkaar, een zogeheten tandemconstructie. Dat leverde eerder vaak problemen op: het verbindingsmateriaal dat beide lagen aan elkaar koppelt, PEDOT:PSS, is zuur en gevoelig voor water, waardoor de cel binnen de kortste keren beschadigt. Het UNIST-team verving die verbinding door een nieuwe hybride laag van molybdeenoxide en een organische molecuul genaamd 2PACz. Molybdeenoxide is niet zuur en neemt geen vocht op, waardoor het als een beschermend schild werkt. De 2PACz-moleculen zorgen er bovendien voor dat elektrische lading ongehinderd door het materiaal kan stromen. Dankzij deze combinatie haalt de cel een spanning van 1,67 volt, ruim boven de benodigde drempel, en bleef die na tien uur continu gebruik nog 86 procent van zijn oorspronkelijke prestatie behouden. Oudere ontwerpen zakten in dezelfde tijd terug naar slechts 36 procent.

Minder kostbare metalen, grotere schaal

De onderzoekers testten hun techniek niet alleen in het laboratorium, maar ook buiten in een module van 320 vierkante centimeter die onder natuurlijk zonlicht daadwerkelijk waterstof produceerde. Om de kosten laag te houden, gebruikten ze nauwelijks platina: nog maar 0,1 gewichtsprocent op de elektrode waar waterstof ontstaat. Aan de andere kant zit een goedkope katalysator van nikkel, ijzer en kobalt. Omdat beide elektroden in dezelfde vloeistof werken, is ook geen duur membraan nodig om ionen te scheiden. Volgens berekeningen van de onderzoekers zou waterstof uit deze techniek, als het theoretische maximale rendement van 16 procent op grotere schaal haalbaar is, kunnen worden geproduceerd voor ongeveer 4,26 dollar per kilo. Dat is in de buurt van de prijs waarbij groene waterstof kan concurreren met waterstof uit aardgas. Elders werken onderzoekers van Nanyang Technological University in Singapore aan een vergelijkbaar idee: een door bladeren geïnspireerd apparaat dat met zonlicht waterstof uit zeewater haalt en tegelijk een giftige industriële stof onschadelijk maakt. Samen laten deze projecten zien dat zonlicht direct omzetten in brandstof langzaam uitgroeit van een fragiel labo-experiment tot een technologie die richting echte toepassing beweegt.