KU Leuven Archieven - Utilities

Een studie onder leiding van de KU Leuven legt voor het eerst uit hoe perovskieten – kunstmatige kristallen die zonlicht  omzetten in elektriciteit – kunnen worden gestabiliseerd. De stabilisatie maakt de kristallen zwart, waardoor ze zonlicht absorberen. Deze bevinding is een stapje dichter bij eenvoudig te produceren, zeer efficiënte perovskiet-zonnecellen.

Perovskieten zijn halfgeleidermaterialen met veel toepassingen. Ze vangen zonne-energie op en zetten deze efficiënt om in elektriciteit. Het enige probleem: de meest veelbelovende soort perovskieten, cesiumloodtriiodide (CsPbI3), is onstabiel bij kamertemperatuur.

Perovskiet-zonnecellen

‘Silicium is een zeer sterk, star kristal. Als je erop drukt, verandert de vorm niet’, zegt Dr. Julian Steele van het Centrum voor Membraanscheidingen, Adsorptie, Katalyse en Spectroscopie voor Duurzame Oplossingen aan de KU Leuven. ‘Perovskieten zijn zachter en meer kneedbaar. We kunnen ze onder verschillende laboratoriumomstandigheden stabiliseren, maar bij kamertemperatuur willen de zwarte perovskietatomen zichzelf herschikken, waardoor hun structuur verandert en de kristallen geel worden.’

Fixeren

Samen met een internationaal team van wetenschappers ontdekte Steele dat de kristallen de gewenste zwarte toestand aannemen door een dunne laag van perovskieten aan een glasplaat te hechten. De wetenschapper verhitten de perovskieten tot 330 graden Celsius, waardoor deze uitzetten en zich aan het glas hechten. Na de verwarming koelen de onderzoekers de perovskieten onmiddellijk af tot kamertemperatuur. Dit proces fixeert de atomen in de kristallen, wat hun beweging beperkt en de zwarte kleur behoudt.

Wetenschappers stellen al enkele decennia vast dat perovskieten hun zwartheid kunnen behouden na verhitting, maar het was tot nu toe onduidelijk hoe dat precies kwam. ‘In onze studie hebben we gekozen voor CsPbI3 omdat deze perovskieten erg goed presteren’, legt Steel uit. ‘Bovendien is het een van de meest onstabiele soorten perovskieten, wat betekent dat de methode die we beschreven ook zou moeten werken voor andere onstabiele perovskieten.’

Raadsel

Hoe de binding precies gebeurt, is nog steeds een raadsel. ‘Inzicht in hoe dit mechanisme werkt, is nodig om zonnepanelen te kunnen ontwikkelen die pure perovskietkristallen gebruiken’, zegt Steele. ‘Er zijn drie pijlers die de kwaliteit van zonnecellen bepalen: prijs, stabiliteit en prestaties. Perovskiet-zonnecellen scoren hoog op prestaties en prijs, maar hun stabiliteit is nog steeds een groot probleem. Aangezien het instapniveau om zonnepanelen met perovskieten te maken relatief laag is, kunnen ze bijvoorbeeld zeer gunstig zijn voor mensen in ontwikkelingslanden met een beperktere infrastructuur.’

Lees hier meer over het onderzoek van de KU Leuven

Waar we vorige week nog berichtten over het onderzoek van Differ naar de directe omzetting van waterdamp in waterstof, lijkt de KU Leuven al wat verder te zijn. De Belgische onderzoekers zeggen met behulp van zonlicht waterdamp uit de omgeving om te kunnen zetten in waterstof. En het record is een productie van 250 liter waterstof per dag. Twintig van deze panelen zouden volgens de onderzoekers een gezin een jaar lang van energie kunnen voorzien.

Professor Johan Martens van het Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse van de KU Leuven werkte tien jaar aan de ontwikkeling van een zonnepaneel die direct waterdamp kan omzetten in waterstof. Door waterdamp uit de omgeving te onttrekken en dit met behulp van zonne-energie te splitsen in waterstof en zuurstof, kunnen gezinnen in de nabije toekomst zelf waterstof produceren.

Werking

Over hoe het zonnepaneel precies werkt, laten de onderzoekers niets los, maar de goede resultaten lijken te worden gehaald door de inzet van poreuze multi-junction silicium zonnecellen. Deze bieden een antwoord op de verliezen die monolithische watersplitsapparaten kennen bij het transporteren van ionen. De waterabsorptie gebeurt via silicagel, waarna de omzetting naar waterstofgas via een standaard elektrolyseproces met elektrodes van ijzer en nikkel plaatsvindt. Anders dan het Differ-onderzoek, splitst men dus water en geen waterdamp. De onderzoekers meldden nog wel dat ze voor goedkope materialen hebben gekozen om de kosten voor de unit zo laag mogelijk te houden. De zonnepanelen kennen nu een rendement van vijftien procent maar zouden met duurdere materialen hogere rendementen kunnen halen.

Praktijktest

In het Vlaams-Brabantse Oud-Heverlee staat een testwoning waar zonneboilers en zonnepanelen een groot deel van de energievoorziening voor hun rekening nemen. Met een aanvullende waterstofmodule zou de woning autarkisch, ofwel zelfvoorzienend, kunnen worden. Het waterstof kan namelijk eenvoudiger langdurig worden opgeslagen om de seizoensverschillen tussen zomer en winter te overbruggen. De onderzoekers berekenden dat een tank ter grootte van een gemiddelde olietank van vier kuub, die nog steeds bij veel Belgische huishoudens staat, volstaat om de lagere productie in de winter te kunnen overbruggen.

De onderzoekers hebben nu één module klaar om te testen, maar willen in de testwoning twintig waterstoffabriekjes neerzetten om deze aan de praktijktest te onderwerpen.

Bedrijven uit de farmacie, chemie en metaalverwerking zitten vaak met afvalwater dat niet zomaar naar de traditionele waterzuiveringsinstallatie mag. De Belgische spin-off InOpSys heeft een duurzame oplossing: ‘Plant-on-a-Truck’, een mobiele unit die afvalwater ter plaatse kan zuiveren.

De ‘Plant-on-a-Truck’ ziet eruit als een gewone container, maar binnenin zit heel wat chemische technologie die afvalwater kan verwerken. Het water wordt gezuiverd van restanten van bijvoorbeeld medicatie, metalen of solventen: daarna kan het alsnog naar de gewone waterzuivering. De restanten kunnen hergebruikt worden. Afhankelijk van de grootte van de afvalstroom worden verschillende containers gecombineerd – net als Legoblokjes – en eventueel op maat gemaakt.

‘Vroeger had een bedrijf alleen maar de mogelijkheid om gevaarlijk afvalwater in een speciale waterzuiveringsinstallatie te laten verbranden. Dat betekent transport en bovendien recupereer je niets. Er was ook vraag naar een meer flexibele oplossing, die ter plaatse bij het bedrijf ingezet kan worden. Janssen Pharmaceutica, bijvoorbeeld, heeft een grote site waar men verschillende medicijnen produceert. Dat vergt telkens weer een ander waterzuiveringsproces. Vanuit hun vraag ontstond het idee om een vorm van mobiele waterzuivering aan te bieden, operatie en service inbegrepen. Daaruit is in 2015 de spin-off ontstaan’, vertelt CEO Steven De Laet.

De aanpak is enerzijds gebaseerd op technologie die werd ontwikkeld en verfijnd door professoren Raf Dewil en Lise Appels aan het Labo voor Proces- en Milieutechnologie (PETLab) op Campus De Nayer, en anderzijds op een nieuwe technologie die werd ontwikkeld door AvoRe NV, één van de mede­oprichters. InOpSys heeft ondertussen zijn werkterrein uitgebreid naar andere Europese landen: ‘We zitten ook steeds meer al in de R&D-fase aan tafel bij bedrijven.’