Onderzoekers hebben een zonnepaneel ontwikkeld dat geen elektriciteit levert maar direct water splitst in waterstof en zuurstof. Dankzij quantummaterialen, geconcentreerd zonlicht en een zelfherstellende katalysator komt goedkope, schaalbare kunstmatige fotosynthese plots een stap dichterbij.
Een team van de University of Michigan heeft een werkend zonnepaneel gebouwd dat waterstof produceert met uitsluitend zonlicht en water. In plaats van eerst elektriciteit op te wekken en daarna elektrolyse toe te passen, zet het systeem zonne-energie direct om in chemische energie. Dat kan de kostenstructuur van groene waterstof fundamenteel veranderen.
Volgens de studie, gepubliceerd in Nature Energy, behaalt het paneel een solar-to-hydrogen-rendement tot 9 procent in het lab en 6,1 procent in buitentests. Voor het eerst ligt de efficiëntie in een bereik dat onderzoekers economisch relevant vinden voor directe zonne-waterstof.
Decennialange droomtechnologie
Waterstof geldt als een sleutelbrandstof voor sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn, zoals zware industrie, scheepvaart en langeafstandstransport. Het probleem: het overgrote deel van de huidige waterstofproductie gebeurt via aardgas (stoomreforming), waarbij CO₂ vrijkomt.
Fotokatalytische watersplitsing (direct waterstof maken met zonlicht) is al decennia een droomtechnologie. In theorie is het elegant en emissievrij. In de praktijk gaat het mis bij de efficiëntie: de door licht opgewekte elektronen en gaten recombineren vaak voordat ze een chemische reactie kunnen aandrijven.
Fundamenteel andere benadering
De Amerikaanse onderzoekers pakken het probleem aan met een nanostructuur van ultradunne lagen galliumnitride en indium-galliumnitride, die samen een periodiek superrooster vormen. In dat rooster blijven elektronen en gaten, de deeltjes die ontstaan wanneer licht elektronen losmaakt, langer van elkaar gescheiden. Daardoor krijgen ze meer tijd om water daadwerkelijk te splitsen in waterstof en zuurstof.
Het verschil met traditionele fotokatalysatoren is dat hier niet alleen het oppervlak wordt geoptimaliseerd, maar dat de beweging van de ladingsdragers binnen het materiaal zelf wordt gestuurd. Dat is een fundamenteel andere manier van ontwerpen.
Efficiëntie is bescheiden, maar betekenisvol
De gemeten solar-to-hydrogen-efficiëntie bedraagt 3,16 procent onder geconcentreerd zonlicht in het lab. In buitentests met een opschalingsopstelling werd gemiddeld 1,64 procent gehaald bij een zonlichtintensiteit van 204 ‘zonnen’.
Dat is nog ver onder de ~10 procent die vaak als richtwaarde voor commerciële systemen wordt genoemd. Toch is de sprong relevant: veel fotokatalytische systemen blijven steken onder 1 procent, vooral wanneer ze stabiel en zonder externe bias moeten werken.
Goedkope groene waterstof
Een van de belangrijkste voordelen van het Michigan-paneel is dat het ontwerp de gebruikskosten van halfgeleiders drastisch verlaagt. Omdat het systeem met geconcentreerd zonlicht werkt, kan de actieve halfgeleider meer dan honderd keer kleiner worden uitgevoerd dan bij conventionele fotokatalytische systemen. Dat betekent dat dure materialen aanzienlijk minder nodig zijn, wat de weg opent naar goedkopere groene waterstof.
Meer dan een labtruc
Wat deze studie vooral interessant maakt, is dat het geen kleine optimalisatie betreft, maar een echte architecturale innovatie. Het gebruik van excitonische superroosters kan bovendien in principe ook worden toegepast op andere halfgeleidersystemen.
Het idee biedt de mogelijkheid om materialen te ontwikkelen met aanpasbare bandstructuren voor een betere benutting van zonlicht, langere ladingslevensduren zonder complexe co-katalysatoren, en een gemakkelijke integratie in foto-elektrochemische of hybride systemen.
Voor de waterstofeconomie is schaalbaarheid essentieel. Galliumnitride-structuren zijn al bekend uit de LED-industrie, wat betekent dat er bestaande productie-knowhow is, al zijn de kosten momenteel nog hoog voor grootschalige brandstofproductie.
Gamechanger voor het energiesysteem van morgen
Directe zonne-waterstofproductie zou een gamechanger zijn voor decentrale energievoorziening: denk aan off-grid installaties die waterstof produceren voor opslag, industriële processen of synthetische brandstoffen.
Ook kan het de druk op elektrolysecapaciteit verlagen. Elektrolyse blijft voorlopig efficiënter, maar vereist goedkope groene stroom en dure installaties. Fotokatalyse zou juist in zonrijke regio’s een eenvoudiger alternatief kunnen worden.
Geen commerciële doorbraak, wel een richting
De onderzoekers benadrukken zelf dat verdere optimalisatie nodig is, onder meer in lichtabsorptie, stabiliteit en kosten. Maar de studie laat zien dat het sturen van excitonen op nanoschaal een krachtige route is om de efficiëntiebarrière te doorbreken.
Voor de energietransitie betekent dat vooral één ding: groene waterstof uit zonlicht en water is nog geen industriële realiteit, maar de fysica staat het niet langer in de weg. De volgende uitdaging ligt bij opschaling, materiaalkeuze en systeemintegratie – precies het terrein waar ingenieurs het verschil kunnen maken.
