Zonlicht is de ideale energiebron, maar met de prestaties van collectoren wil het maar niet vlotten. Hulp komt nu uit hoek van de nanotechnologie. Kunnen nanowetenschappers zonne-energie eindelijk grootschalig laten doorbreken?
Al decennialang is duidelijk dat zonne-energie de beste kaarten in handen heeft om duurzame energie te leveren. Heb je eenmaal een zonnecollector, dan kun je gratis energie aftappen van de grootste energiebron in ons zonnestelsel. De voordelen boven andere energiebronnen zijn evident. Zonnecollectoren produceren geen verbrandingsgassen en hebben minder grote gevolgen voor het landschap dan windturbines of waterkrachtcentrales.
Op papier is er voor iedereen voldoende zonne-energie. Elke minuut bereikt genoeg zonlicht de aarde om de hele wereldbevolking een week van energie te voorzien. Toch teert de wereld nog vooral op fossiele brandstoffen en komt het opwekken van zonne-energie nog amper van de grond. Twee jaar geleden kwam slechts 0,1 procent van de Nederlandse energie uit zonnecellen. Dat zonne-energie maar niet wil doorbreken komt door twee problemen waar wetenschappers al jaren mee worstelen: zonnecellen hebben een te laag rendement en ze zijn te duur om te maken.
Nanotechnologie kan die taaie problemen oplossen, voorspelt Albert Polman, bestuurslid van NanoNextNL, een Nederlands programma voor nano-onderzoek. Daarnaast is hij verbonden aan het onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam, waar wetenschappers zich bezighouden met nanofotonica: het opvangen van licht op de nanometerschaal. Polman: ‘Veertig jaar lang zocht iedereen naar manieren om het materiaal van de zonnecel te verbeteren, maar niemand dacht eraan te onderzoeken hoe je het licht slimmer invangt op nanoschaal. Wij zijn in dat gat gesprongen.’ Het AMOLF-team bestudeert hoe licht zich gedraagt op een schaal van slechts een paar miljardsten van een meter – tienduizend keer kleiner dan de dikte van een menselijke haar.
Polman heeft een duidelijk doel voor ogen: een goedkopere zonnecel die meer licht invangt. ‘Huidige zonnepanelen zijn gemaakt van siliciumtegeltjes. Dat is een heel duur basismateriaal, dus als we de tegels dunner maken, zijn ze ook een stuk goedkoper’, aldus de onderzoeker. ‘Het probleem is alleen dat bij te dunne tegels het zonlicht er dwars doorheen gaat. We lossen dat op door het oppervlak van het zonnepaneel te bedekken met nanostructuren.’
Drukpers
De natuurkundigen plaatsen bijvoorbeeld minuscule cilinders met een doorsnede van slechts 200 nanometer op het paneeloppervlak. Wanneer een lichtgolf op zo’n cilinder valt, is die ingesloten. Dat komt doordat een lichtgolf een bepaalde golflengte heeft. De onderzoekers maken de cilinder even groot als die golflengte. Omdat de cilinder aan de binnenzijde reflecteert, kan het licht alleen nog ontsnappen in de richting van de zonnecel.
Zodra het licht de zonnecel bereikt, zal het iets van richting veranderen. Bij een nanocilinder van het juiste materiaal, zoals titaanoxide, breekt het licht heel schuin de zonnecel in. Daardoor legt het licht een veel langere weg af door de cel dan wanneer het haaks de cel doorreist. De cel vangt daardoor meer licht op.
‘Je kunt ook helemaal afwijken van de traditionele zonnecel’, zegt Polman. Onderzoekers bij AMOLF maken bijvoorbeeld buigzame zonnecellen van nanodraden. De zonnecel bestaat dan volledig uit deze dunne draden, die rechtop naast elkaar staan. ‘De nanodraden zijn gemaakt van diverse materialen, die elk goed zijn in het opvangen van een specifieke lichtkleur. Een zonnecel die de verschillende materialen combineert, vangt alle kleuren zonlicht op.’ Een traditionele zonnecel kan ook meerdere kleuren licht opvangen, maar dan moet de cel wel uit diverse materiaallagen bestaan. Dat maakt dit soort zonnecellen duur, terwijl de nanodraadcel juist lage productiekosten heeft.
Over de vraag welk type zonnecel de toekomst heeft, is Polman heel duidelijk. ‘Allebei. We willen zonnecellen op verschillende manieren gebruiken. Sommige panelen moeten flexibel zijn, zodat ze zich bijvoorbeeld naar de vorm van dakpannen buigen.’ Het voordeel is dat zulke buigzame zonnecellen niet opvallen in het straatbeeld. ‘Andere panelen moeten juist zo efficiënt mogelijk zijn, bijvoorbeeld toekomstige zonnecellen op het dak van een elektrische auto. Die panelen hebben maar een beperkt oppervlak. Je moet dus met een kleine hoeveelheid zonnecellen genoeg energie opwekken om te blijven rijden.’
De verschillende technieken hebben vooralsnog hun eigen specialiteit – nanocilinders op een traditionele zonnecel maken het materiaal bijvoorbeeld niet buigzamer, maar wel efficiënter. Het zoeken is naar de gouden combinatie.
Omdat zijn onderzoek nog in volle gang is, kan Polman niet zeggen hoe efficiënt zijn nanozonnecellen uiteindelijk zullen zijn. De huidige onderzoeksresultaten noemt hij alvast wel veelbelovend. ‘Het rendement van gewone zonnecellen is hoogstens 20 procent. Als we nanotechnologie toepassen kan het 30 procent worden, of misschien zelfs wel 50 procent.’ De onderzoeker voorziet echter dat een zonnecel met het hoogste rendement wellicht niet het gemakkelijkst te produceren is. Polman: ‘We zetten daarom in op technieken die het rendement zo hoog mogelijk maken, maar waarmee we wel op een grote schaal zonnecellen kunnen produceren.’
Hoewel zonnecellen met nanocilinders nog in de kinderschoenen staan, is het niet moeilijk voor te stellen dat ze ooit op grote schaal uit een fabriek rollen. De nanozonnecellen zijn te maken met een procedé dat soft imprinting heet. De kleine cilinders zijn dan aangebracht in een rubberen stempel. Wanneer de stempel met de juiste druk over de zonnecel rolt, duwt hij het cilinderpatroon in de cel. Polman vergelijkt soft imprinting met de rollende persen van krantendrukkerijen. Afgelopen winter berekende hij met zijn studenten hoe lang het met soft imprinting duurt om zonnecellen te maken die over tien jaar de hele wereldbevolking van energie voorzien. Het antwoord was verrassend: als zonnecellen daadwerkelijk zo snel als kranten uit de drukker rollen, hoef je maar één soft imprinting-fabriek te bouwen. Zo’n productiesnelheid is haalbaar – de uitdaging ligt dus niet zozeer bij de massaproductie, als wel bij het maken van de allerbeste zonnecel voordat de persen aangaan.
Katalysator
Terwijl Polman zoekt naar de ultieme zonnecel, werkt medefysicus Richard van de Sanden aan de opslag van die energie. Want hoewel het mooi is als een zonnecel veel elektriciteit levert, kent Nederland niet veel zonnige dagen. Daarom moeten we de zonne-energie van een stralende zomerdag ook op een grijze herfstdag kunnen gebruiken. Met dat doel voor ogen werkt Van de Sanden, directeur van het Dutch Institute For Fundamental Energy Research (DIFFER), aan fotoelektrochemische cellen die zonne- energie in brandstof omzetten.
Een fotoelektrochemische cel is een oude bekende in de wetenschap. In feite is het een apparaat dat, onder invloed van licht, water omzet in waterstof en zuurstof.
In de cel zitten twee elektroden: een anode en een kathode. Wanneer zonlicht een pulsje energie geeft aan de kathode, verliest hij een elektron. Het water in de cel zal dat elektron opnemen, en verandert daardoor in negatief geladen deeltjes. De anode eist juist een elektron van de vloeistof op, waardoor watermoleculen in positief geladen deeltjes veranderen. De positieve en negatieve deeltjes hercombineren tot waterstof en zuurstof. Door een katalysator toe te voegen, gebeuren deze reacties op hoog tempo. Zo produceert de cel effectief waterstofgas, dat we kunnen gebruiken als brandstof. De techniek werkt in de praktijk echter niet goed genoeg om zonne- energie mee te oogsten. Nanotechnologie kan die problemen verhelpen, meent Van de Sanden. ‘Sommige stoffen werken bijvoorbeeld goed als katalysator, maar geleiden slecht elektriciteit.’ Daardoor kunnen de elektronen minder gemakkelijk door het water naar de elektroden bewegen, en zullen minder reacties optreden. ‘Maar met nanotechnologie kunnen we de afstand tussen de deeltjes van de katalysator kleiner maken’, aldus de onderzoeker. De elektronen springen dan gemakkelijker van een deeltje naar het volgende, waardoor de elektrische geleiding geen probleem meer is.
Hoewel de twee Nederlandse nanopioniers geen lab delen, zien ze allebei een mooie toekomst in de combinatie van hun werk. Terwijl Polman het zonlicht efficiënt opvangt, kan Van de Sanden dat licht optimaal benutten voor brandstofproductie.
Toch is lang niet iedereen ervan overtuigd dat nanotechnologie gaat zorgen voor een definitieve doorbraak van zonnecollectoren. Een aantal jaren geleden publiceerde milieuorganisatie Friends of the Earth (FoE) een spraakmakend rapport waarin staat dat nanotechnologie vooral energie kost. Zo is de gemiddelde levensduur van de nanozonnecel 10 tot 15 jaar korter dan die van de gewone panelen. Ook kost de productie van een nanozonnecel meer energie. Tot slot ligt het rendement van de nanocel nog steeds lager ligt dan dat van de oude zonnecellen – met een gemiddelde van 13 procent tegenover 20 procent.
Wereldwijd reageerden deskundigen, waaronder technologiepioniers, wetenschappers en bedrijfsleiders, fel op het rapport. Zij vonden het oordeel van FoE oneerlijk. Ze wezen erop dat alle innovaties tijd nodig hebben voordat ze de ‘oude’ technieken kunnen overtreffen.
Polman en Van de Sanden geven toe dat nanozonnecellen nog een lange weg te gaan hebben. Maar zodra de nanotoepassingen het rendement van de zonnecel daadwerkelijk opkrikken, zal volgens de twee Nederlandse experts het energiespeelveld voorgoed veranderen – en kan het aftappen van de energie die de zon ons gratis schenkt, pas echt beginnen.
Lees verder: