Zo krijg je een beetje een idee hoe zo’n zonnebatterij er uit ziet. Rechts het deel waarop het zonlicht valt. Links de lithiumelektrode, in het midden de koolstofeletrode. Tussen de drie elektrodes het elektrolyt met jodide als elektronenvervoerder. (afb: OSU)

Is het een batterij, is het een zonnecel? Het is een grapje, natuurlijk, maar het is een batterij én een zonnecel die onderzoekers van de staatsuniversiteit van Ohio (OSU) hebben ontwikkeld. Dat is, als het allemaal klopt, een mooie uitvinding, want zonne-energie kan niet zonder energieopslag (ik ga dat hier niet meer uitleggen). De onderzoekers hebben er meteen maar een octrooi op aangevraagd.

De kern van de vinding is de structuur van het zonnepaneel, die lucht tot de batterij toelaat en een speciale manier om elektronen te transporteren van het zonnepaneel naar de elektrode. Licht en zuurstof uit de lucht veroorzaken op verschillende onderdelen van de zonnebatterij chemische reacties, waardoor de batterij geladen wordt. “Normaal”, zegt onderzoeker Yiying Wu, “vang je met een zonnepaneel licht en vervolgens gebruik je de daardoor gegenereerd elektronenstroom om een batterij op te laden. We hebben beide functies geïntegreerd. Dat scheelt in de kosten.” Volgens de onderzoekers zou dat nu al 25% schelen. Door de combinatie van die functies (energieopwekking en -opslag) voorkom je ook het energieverlies dat vastzit aan het opslaan van de energie, al gauw eenvijfde van de opgewekte energie. Bij de opzet van de OSU-onderzoekers zou het verlies nul zijn. De omzetting van licht in energie, door het ‘losslaan’ van elektronen, vindt in de batterij plaats.
Wu en zijn medeonderzoekers hebben in hun nieuwe ontwerp gebruik gemaakt van eerder ontwikkelde ontwerpen. Zo ontwierpen ze een luchtbatterij die stroom leverde door een reactie van kalium met zuurstof. Dat ontwerp kreeg dit jaar een prijs voor schone technologie van het Amerikaanse ministerie van energie van $ 100 000. De zakelijk ingestelde onderzoekers hebben een bedrijfje opgericht, KAir Energy Systems, om die batterij verder te ontwikkelen. “Eigenlijk is het een ademende batterij”, zegt Wu. “Die ademt lucht in als hij zich ontlaadt en uit als hij geladen wordt.”

In deze studie wilden de onderzoekers een zonnepaneel combineren met een batterij zoals de KAir (in het Nederlands zou dat KLucht zijn). Ze gebruikten lithium in plaats van kalium. Zonnecellen worden normaal meestal van silicium gemaakt. Dat zou de in- en uitstroom van lucht tegenhouden. Medeonderzoeker Mingzhe Yu ontwierp een luchtdoorlaatbare gaasstructuur van titaan, waarop hij titaanoxide’blaadjes’ liet groeien. De lucht wordt zo niets in de weg gelegd.
Om een zonnecel te koppelen aan een batterij zouden vier elektroden nodig zijn, maar niet bij de mannen van OSU. Die konden het met drie elektroden af. De eerste elektrode is die van de zonnecel van titaangaas. Daaronder kwam een dun vel van poreuze koolstof (de tweede) en een lithiumplaat (de derde). Tussen de elektrodes zit dan het elektrolyt voor het vervoer van de elektronen. De werking is als volgt: Het licht valt op de titaanoxide-elektrode waardoor elektronen worden vrijgemaakt. In de batterij doen de elektronen mee aan de omzetting van lithiumperoxide in lithiumionen en zuurstof. Zuurstof verdwijnt in de lucht en de lithiumionen worden, met de elektronen van de zonnecel omgezet in lithiummetaal. Dat is dus als de batterij via de zonnecel geladen wordt. Bij het ontladen gebeurt het omgekeerde proces. Een jodiumzout, of eigenlijk het ion van jodium, zorgt voor het transport van de elektronen door het elektrolyt.
Het titaanoxide in de zonnecel is met rode kleurstof zo aangepast om de juiste golflengtes van het licht op te kunnen vangen. Die kleurstof was een probleem. Eerst werd daar een rutheniumverbinding voor gebruikt, maar die verdween uit de structuur bij het laden en ontladen. Nu gebruiken de onderzoekers een donkerrode halfgeleider (hematiet) of roest. Wu denkt dat met roest als ‘kleurstof’ de zonnebatterij een levensduur heeft die vergelijkbaar is met de huidige oplaadbare batterijen. Dat lijkt me een beetje aan de korte kant als je bedenkt dat die zonnebatterijen in grotere systemen op, bijvoorbeeld, daken zullen moeten fungeren of zouden de ondernemende onderzoekers andere toepassingsmogelijkheden voor ogen hebben?

Bron: Eurekalert