‘Wolkenkrabbers’ maken foto-elektrochemische cellen minder efficiënt

Hoe kun je zorgen dat foto-elektrochemische cellen zonlicht efficiënter omzetten in waterstof? Met de software van stedenbouwers natuurlijk! Hoge uitsteeksels op het celoppervlak werpen namelijk schaduw over andere celdelen, net als wolkenkrabbers in een druk stadscentrum.

Het effect van toenemende afstanden tussen oppervlakverbeterende pilaren op een foto-elektrochemische cel.

1/1

Gerelateerd nieuws

Bijeenkomst Platform Tandwielen op 25 april 2024

I/O-systeem ‘helpt’ Groot Barrièrerif

Gwneud yng Nghymru: 3 miljoen frequentieregelaars

Hoe krijg je structuur in je software?

Foto-elektrochemische cellen bereiken meestal slechts een fractie van hun theoretische prestatie. Onderzoekers van Differ, TU/D en UT gebruikten zorgvuldig gestructureerde en gemeten foto-elektrochemische cellen in combinatie met software voor stedenbouwers om te onderzoeken hoe dit komt.

Het team publiceerde zijn onderzoek en een nieuw ontwerp dat de prestaties kan verbeteren in het tijdschrift Advanced Functional Materials.

Hoe groter het oppervlak van een foto-elektrochemische cel, des te meer reactieplaatsen waar waterstof kan worden geproduceerd. Daartoe planten onderzoekers hun cellen met velden van microscopische pilaren om het oppervlak te vergroten. Dergelijke cellen gebruiken een dunne laag wolfraamoxide om energie uit zonlicht om te leiden naar de watersplitsingsreactie. Een substraat van silicium stimuleert het proces door zonlicht efficiënter om te zetten in de noodzakelijke ladingdragers.

Het verbeteren van foto-elektrochemische cellen begint vaak met het aanpassen van materiaaleigenschappen of door het toevoegen van microstructuren voor een groter oppervlak.

Verbeteringen in die afzonderlijke velden vertalen zich slechts gedeeltelijk in betere prestaties, legt hoofdonderzoeker Anja Bieberle uit. "Als je een gladde foto-elektrochemische cel vult met lichtgevoelige nanodraden, kan het oppervlak met een factor van meer dan 50 toenemen, maar de celprestaties nemen maar vijf keer toe. Hoe kan dat?"

Om dit raadsel te doorgronden, zoomde het team uit. Ze ontwikkelden een reeks foto-elektrochemische cellen met verschillende substraten en lichtgevoelige pilaren aan het oppervlak, elke cel met hogere of lagere pilaren, dicht bij elkaar of verder uit elkaar gepakt. Bieberle: "Door deze stapsgewijze variaties konden we de exacte verschillen tussen de afzonderlijke cellen zien. En opnieuw zagen we dat extra oppervlak niet resulteerde in dezelfde hoeveelheid extra prestaties."

Software die oorspronkelijk was ontwikkeld om het potentieel van zonne-energie in de stedelijke omgeving te bepalen, leverde nieuw inzicht in het probleem. Door de microscopische pilaren op hun foto-elektrochemische cellen te simuleren alsof het wolkenkrabbers waren in een drukke metropool, ontdekte het team waarom extra pilaren niet automatisch extra waterstof produceren: als ze te dicht op elkaar gepakt zijn, schaduwen de pilaren elkaar. Geen licht op het oppervlak betekent geen energie voor de watersplitsingsreactie. In hun publicatie laten de wetenschappers zien dat de materiaalkeuze de prestaties van de cel verder kan beïnvloeden.

Ook beschrijft het team een alternatief ontwerp op microschaal voor dergelijke waterstofcellen. Door pilaren te verwisselen voor lichtgevoelige kegels kunnen de uitstekende microtorens dichter bij elkaar worden geplaatst zonder elkaar in de schaduw te stellen.

Bieberle: "Als het nieuwe ontwerp goed presteert, is samenwerking met de industrie voor opschaling een logische volgende stap. We hebben commercieel relevante materialen gebruikt zoals silicium en wolfraamoxide, zodat het directe toepasbaar is real-world systemen."