Een silicium zonnecel die onder invloed van licht water splitst in waterstof en zuurstof, en dat zonder bedrading. MIT-onderzoekers zijn er in geslaagd zo een kunstmatig ‘blad’ te maken, zo schrijven zij in Science.

De ‘wafer’ slaat zonne-energie op in de vorm van waterstof dat op zijn beurt dan weer een brandstofcel kan voeden.

Gebruikmaken van zonlicht, via een zonnecel, om water te splitsen in waterstof en zuurstof is geen nieuwe truc. Maar aan eerdere ontwerpen kleefden een aantal nadelen: ze maakten gebruik van dure lichtabsorberende materialen, zoals (Al)GaAs, en katalysatoren, zoals Pt. Ook vond de reactie plaats in een sterk zure dan wel basische omgeving, waartegen de zonnecel beschermd moest worden door middel van duur glas.

Dat het ook anders kan, lieten Daniel Nocera en zijn collega’s zien. Hun ontwerp is gebaseerd op een amorfe silicium zonnecel. Silicium is het voorkeursmateriaal in de fotovoltaïsche industrie en rijkelijk voorradig. Dat laatste geldt ook voor de gebruikte katalysatoren. Daar komt bij dat dit systeem onder bijna pH-neutrale omstandigheden functioneert.

De onderzoekers bouwden twee verschillende ‘solar water-splitting cells’, de één met bedrading, de andere draadloos. Als zuurstofkatalysator kozen zij voor een kobalt variant, Co-OEC. Aan de waterstofkant voor een legering van nikkel, molybdeen en zink (NiMoZn).

Aan de Co-OEC elektrode wordt water omgezet in zuurstof (2H₂O ? O₂ + 4H⁺). Het silicium is gevoelig voor zuurstof en daarom brachten de onderzoekers indium tin oxide (ITO) aan tussen het Co-OEC en het silicium. De vier overgebleven waterstofatomen worden aan de waterstofelektrode omgezet in 2H₂. In het draadloze systeem bevindt de NiMoZn katalysator zich aan de ‘achterkant’ van de siliciumlaag met daartussen een laag roestvrij staal (aan de voorkant zit het Co-OEC). In het andere geval is de legering aangebracht op een Ni-substraat dat door middel van een draad verbonden is met de siliciumkant.

De wafer plaatsten de wetenschappers in een bak water. Onder invloed van licht produceert deze cel waterstof- en zuurstofgas dat elk aan één kant naar boven borrelt. De draadloze variant leverde een efficiëntie van 2,5 procent, door het aanbrengen van bedrading steeg dit percentage tot 4,7 procent. Het overgrote deel van het verlies komt op conto van de zonnecel. Nocera zegt dat laboratoriatests uitwijzen dat het gebruik van kristallijn silicium de efficiëntie verhoogt.

Het team hoopt als vervolg op het draadloze systeem een geometrie te maken gebaseerd op vrije nanodeeltjes, gemaakt van met katalysatorengecoate zonnecellen, in oplossing. In theorie, aldus het US Department of Energy, is dit een goedkopere manier van waterstof produceren dan in het geval van aan elkaar gekoppelde zonnepanelen gecoat met katalysatoren, vanwege de hoge kosten van de panelen.

Nocera startte het bedrijf Sun Catalytix om verder onderzoek te doen aan de kunstmatige bladeren en deze uiteindelijk op de markt te brengen.