Fotoelektrochemische cel: zonlicht rechtstreeks omzetten in brandstof
Stel je een blad voor dat geen suikers maakt, maar waterstofgas. Dat is in essentie waar een fotoelektrochemische cel (afgekort PEC-cel) toe dient: een apparaat dat zonlicht opvangt en dat licht direct gebruikt om een chemische reactie aan te drijven, meestal het splitsen van water in waterstof en zuurstof. Er komt geen aparte accu, geen los stroomnet en geen apart apparaat voor de chemie aan te pas — alles gebeurt in één en dezelfde cel, ondergedompeld in vloeistof.
Het verschil met een gewoon zonnepaneel is subtiel maar belangrijk. Een zonnepaneel maakt elektriciteit, die je vervolgens ergens anders naartoe moet sturen om er iets nuttigs mee te doen, bijvoorbeeld naar een los apparaat (een elektrolyser) dat water splitst in waterstof. Een fotoelektrochemische cel combineert die twee stappen in één onderdeel: de lichtopvangende halfgeleider zit letterlijk in het water en drijft de splitsingsreactie meteen ter plekke aan. Onderzoekers noemen dit wel eens een 'kunstmatig blad', omdat het net als een plant zonlicht omzet in een opslagbare brandstof in plaats van in stroom die meteen gebruikt moet worden.
Wat is het precies?
De kern van een PEC-cel is een halfgeleider: een materiaal dat, net als silicium in een zonnepaneel, elektronen loslaat zodra er licht met voldoende energie op valt. Elk fotomolecuul (foton) dat wordt opgevangen, tilt een elektron naar een hogere energietoestand en laat een 'gat' achter op de plek waar dat elektron zat. Dat elektron-gatpaar is de bron van alle chemie die volgt.
Deze halfgeleider fungeert als elektrode en staat in direct contact met een elektrolyt: water waaraan zouten of zuren zijn toegevoegd zodat het elektrische lading kan geleiden. Aan de ene elektrode zorgen de vrijgekomen elektronen ervoor dat watermoleculen worden omgezet in waterstofgas; aan de andere elektrode zorgen de achtergebleven 'gaten' ervoor dat water wordt omgezet in zuurstofgas. Samen levert dat de reactie 2H₂O → 2H₂ + O₂, aangedreven door niets anders dan zonlicht.
Eén complicatie: de energie in zichtbaar licht is vaak net niet genoeg om water in één klap te splitsen. Daarom worden vaak twee halfgeleiders met een verschillende bandkloof (de hoeveelheid energie die nodig is om een elektron los te maken) op elkaar gestapeld, een zogeheten tandemcel, vergelijkbaar met het in serie schakelen van twee batterijen om meer spanning te krijgen. Een tweede complicatie is dat veel goede lichtopvangers chemisch instabiel zijn in water: ze corroderen. Daarom worden ze vaak bedekt met een dun beschermlaagje dat licht en lading doorlaat maar het onderliggende materiaal afschermt van de vloeistof.
Wat wil men ermee bereiken?
Het achterliggende doel is opslag. Zonlicht is overdag beschikbaar en 's nachts niet; elektriciteit is lastig en duur op te slaan in grote hoeveelheden. Waterstof en andere 'zonnebrandstoffen' kunnen wel worden opgeslagen, getransporteerd en op een later moment gebruikt, bijvoorbeeld in de industrie, in brandstofcelvoertuigen of als grondstof voor kunstmest en chemicaliën. Een fotoelektrochemische cel probeert die omzetting van licht naar brandstof zo direct en dus zo simpel en goedkoop mogelijk te maken, door de twee stappen (stroom opwekken, water splitsen) in één apparaat te combineren in plaats van twee losse, dure apparaten te bouwen en aan elkaar te koppelen.
Een verwant en ambitieuzer doel is 'kunstmatige fotosynthese': in plaats van alleen water te splitsen, wordt geprobeerd om kooldioxide (CO₂) om te zetten in bruikbare koolstofverbindingen zoals mierenzuur, methanol of andere brandstoffen — net zoals planten CO₂ omzetten in suikers, maar dan met een technisch apparaat. Dat zou in theorie zowel een energiedrager opleveren als CO₂ uit de lucht of van een industriële bron vastleggen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het vakgebied begon in 1972, toen de Japanse onderzoekers Akira Fujishima en Kenichi Honda aan de Universiteit van Tokio lieten zien dat een elektrode van titaandioxide (TiOâ‚‚) onder ultraviolet licht water kan splitsen. Dit 'Honda-Fujishima-effect', gepubliceerd in Nature, geldt als het startpunt van het hele onderzoeksveld.
Decennia later lieten onderzoeksgroepen verbonden aan het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory (NREL) en het Joint Center for Artificial Photosynthesis (een samenwerkingsverband rond Caltech en het Lawrence Berkeley National Laboratory) zien dat tandemcellen op basis van III-V-halfgeleiders — dezelfde dure, zeer efficiënte materialen die ook in ruimtevaartzonnepanelen worden gebruikt — in het laboratorium bij de hoogste rendementen konden komen die ooit voor PEC-waterstofproductie zijn gemeten, in de orde van meer dan 15 tot ruim boven de 19 procent zonlicht-naar-waterstofrendement. Dat waren record-demonstraties op kleine schaal, niet op commerciële schaal.
De groep van Michael Grätzel aan de EPFL in Zwitserland — bekend van de naar hem vernoemde kleurstofzonnecel — publiceerde een tandemcel op basis van bismutvanadaat (BiVO₄), een veel goedkoper en algemener beschikbaar metaaloxide dan de III-V-materialen, met een aanmerkelijk lager maar nog altijd bruikbaar rendement. Het idee daarachter is nadrukkelijk kostenreductie: liever een iets minder efficiënte cel die met goedkope, overvloedig aanwezige grondstoffen te maken is dan een topcel van zeldzame en dure materialen.
In Nederland doet de onderzoeksgroep van Wilson Smith aan de TU Delft onderzoek naar het opschalen van dit soort cellen van laboratoriumformaat naar grotere, praktisch bruikbare panelen, onder meer binnen Europese samenwerkingsverbanden rond zonnebrandstoffen. Ook Toyota en Panasonic in Japan hebben eigen programma's rond kunstmatige fotosynthese gepresenteerd, waarbij halfgeleider-fotokatalysatoren worden gecombineerd met metaalkatalysatoren om COâ‚‚ om te zetten in eenvoudige koolstofverbindingen; beide bedrijven claimden in de loop der jaren geleidelijke verbeteringen van hun omzettingsrendement, al blijven de gerapporteerde percentages voorzichtig en sterk afhankelijk van de precieze testomstandigheden.
Hoe ver is de techniek?
Fotoelektrochemische cellen bevinden zich nog grotendeels in het laboratorium- en pilotstadium, niet in commerciële productie. Er bestaat een hardnekkig spanningsveld tussen efficiëntie en stabiliteit: de materialen die het beste licht opvangen en het hoogste rendement geven (de III-V-halfgeleiders) zijn duur, schaars en vaak gevoelig voor aantasting door het elektrolyt, terwijl de goedkope, stabiele metaaloxiden (zoals BiVO₄, hematiet oftewel ijzer(III)oxide, en TiO₂) doorgaans een aanzienlijk lager rendement geven en vaak alsnog een beschermend laagje nodig hebben om jarenlang mee te kunnen.
Amerikaanse overheidsprogramma's, zoals die van het Department of Energy, hebben kostendoelen geformuleerd waaraan groene waterstof via zonlicht-gedreven routes zou moeten voldoen om te kunnen concurreren met waterstof uit aardgas of met de combinatie van losse zonnepanelen en elektrolysers. Die kostendoelen zijn tot dusver niet gehaald op grote schaal: de meeste demonstraties zijn kleine testcellen die maanden tot enkele jaren meegaan, terwijl commerciële toepassing tientallen jaren stabiliteit zou vereisen. Vooruitgang gaat gestaag maar langzaam, met verbeteringen die vaak in stappen van enkele procentpunten rendement of iets langere levensduur worden gemeten, eerder dan in doorbraken.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn het National Renewable Energy Laboratory (NREL), het Lawrence Berkeley National Laboratory en Caltech, onder meer via het Joint Center for Artificial Photosynthesis en het bredere HydroGEN-consortium van het Department of Energy, belangrijke spelers. In Europa is de groep van Michael Grätzel aan de EPFL in Zwitserland toonaangevend, net als het Duitse Fraunhofer ISE-instituut. In Nederland doen de TU Delft en het onderzoeksinstituut DIFFER in Eindhoven onderzoek naar fotoelektrochemische en aanverwante zonnebrandstof-technologie, vaak binnen Europese samenwerkingsverbanden. In Japan investeren bedrijven als Toyota (via de Toyota Central R&D Labs) en Panasonic al langere tijd in kunstmatige fotosynthese als onderdeel van hun bredere duurzaamheidsstrategie.