Foton-upconversie kan het potentieel van zonne‑waterstof vergroten

Als het gaat om het omzetten van zonlicht in bruikbare energie, is er veel inspanning gericht op fotovoltaïsche systemen, omdat dit een methode is die een groot deel van de energie‑output van de zon kan omzetten in elektriciteit.

Dit betekent echter niet dat dit de meest efficiënte optie is voor alle toepassingen. Bijvoorbeeld, als het doel is om groene waterstof te produceren, ontstaat er een meerstapsproces waarbij bij elke stap efficiëntie verloren gaat: zonlicht -> stroom -> transmissie -> elektrolyse -> waterstof.

Het probleem is dat zelfs met de juiste katalysatoren het grootste deel van het zonlicht zich in het zichtbare en infrarode bereik bevindt, wat simpelweg niet genoeg energie heeft om watermoleculen te splitsen in waterstof. Dus zelfs met siliciumcarbide die de efficiëntie van fotokatalyse verhoogt is het nog steeds niet ideaal. In grote mate is alleen het ultraviolet (UV) deel van het lichtspectrum sterk genoeg.

Dit is waarom de ontdekking door Japanse onderzoekers aan de Kyushu University en het Institute for Molecular Science, SOKENDAI, dat een nieuwe vaste‑stof methode kan worden gebruikt om fotonenerginiveaus te verhogen, een keerpunt kan zijn voor toekomstige groene waterstofproductie. Ze publiceerden hun resultaten in het prestigieuze tijdschrift Nature Communications¹, onder de titel “Sterisch beschermde π-elektronensystemen voor efficiënte vaste‑stof foton‑upconversie”.

Van zichtbaar naar UV‑licht

Fotokatalyse van water naar waterstof zou de productie van groene energie radicaal kunnen verhogen. Dit komt omdat groene waterstof een cruciaal ontbrekend element is voor het opslaan van energie gedurende weken en maanden met weinig zonlicht of geen wind, en tevens de perfecte brandstof voor het decarboniseren van sectoren zoals scheepvaart en luchtvaart, hetzij direct of via de productie van ammoniak en kunstmatige brandstof. Helaas is alleen UV sterk genoeg om fotokatalyse uit te voeren.

“Hoewel anorganische fotokatalysatoren die ultraviolet (UV) licht gebruiken hoge efficiëntie hebben bereikt bij fotokatalytisch waterstofsplitsen, lijden ze onder het lage UV‑aandeel in zonlicht (ongeveer 3% voor het 300–400 nm bereik).”

Maar het alternatief zou niet een betere katalysator kunnen zijn, maar het omzetten van het veel overvloedigere zichtbare licht naar UV, of “foton‑upconversie”.

De onderzoekers richtten zich op een proces dat triplet–triplet annihilation-gebaseerde foton‑upconversie (TTA‑UC) wordt genoemd. In de eenvoudigste uitleg combineert dit twee laag‑energetische fotonen tot één hoger‑energetisch foton door ze te laten absorberen door een acceptormolecuul voordat ze opnieuw worden uitgezonden.

Bron: Nature

Optimaliseren van de stabiliteit van foton‑upconversie

Van vloeistof naar kristallen

Tot nu toe hebben methoden voor upconversie met moleculen zoals 1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS‑Nph) en 2,5-diphenyloxazole (PPO) goede kwantumopbrengsten (ΦUC), maar de vluchtigheid van het oplosmiddel vormt een kritieke beperking voor apparaattoepassingen en langdurig gebruik.

Een praktische oplossing is in plaats daarvan het gebruik van stabiele materialen die op grote schaal kunnen worden ingezet, met minimaal tot geen onderhoud, zodat volledige velden van fotokatalytische omvormers kunnen worden ingezet om grootschalig groene waterstof te produceren.

In kristallen en vaste acceptoren kan een fenomeen dat singlet‑quenching wordt genoemd, de kwantumopbrengst verminderen.

De onderzoekers hebben alkyl‑keten substitutie (het toevoegen van langere koolstofketens) gebruikt in de organische moleculen die als acceptoren dienen om zowel de stabiliteit te verhogen als het voorkomen van singlet‑quenching te verminderen.

Bron: Nature

Meten van kristalprestaties

De onderzoekers gebruikten een molecuul genaamd DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene) met een bijna perfecte kwantumopbrengst van 96% in vloeibare vorm (oplossing). Maar in kristalvorm daalt de opbrengst normaal gesproken sterk.

Door extra koolstofketens aan het molecuul toe te voegen, kan de kristalvorm van DHI kwantumopbrengsten bereiken van 64%‑69%. Deze hoge resultaten duiden erop dat de donor‑moleculen gelijkmatig verdeeld zijn binnen het acceptorkristal, waardoor efficiënte triplet‑sensitisatie mogelijk is.

Bron: Nature

Het materiaal kan ook worden geproduceerd met eenvoudige filmvormende technieken, zoals gieten bij kamertemperatuur en spincoaten, zonder dat speciale verhitting nodig is, waardoor het waarschijnlijker relevant is voor toekomstige industriële grootschalige toepassingen.

Het proces is bovendien zuurstoftolerant en vereist het zelfs, wat betekent dat het niet in een afgesloten, zuurstofvrije omgeving hoeft te plaatsvinden, een ander belangrijk element voor commerciële toepassingen.

“TTA‑UC wordt geactiveerd wanneer zuurstof in het systeem wordt verbruikt door omzetting naar singlet‑zuurstof. De iBu‑DHI/Ir(ppy)3‑film toonde upconversie in lucht zelfs onder intense bestraling (λdt = 370 nm, Iex = 2.0 W cm–2) gedurende meer dan 1 h.”

Bron: Nature

De prestaties van kristallen hangen over het algemeen af van de microscopische structuur op atomaire schaal. Daarom voerden de onderzoekers eerst theoretische berekeningen uit om de waarschijnlijke structuur van deze kristallen te bepalen.

Vervolgens testten ze het kristal met röntgendiffractie en ontdekten dat de röntgendiffractiepatronen van de enkelkristallen en die van de spin‑gecoatde films vergelijkbaar waren, wat aantoont waarom deze methode werkte.

Bron: Nature

Dit betekent niet dat de kristallen niet verder geoptimaliseerd kunnen worden; een nog hogere opbrengst is theoretisch mogelijk met een preciezere methode om de vorming van de individuele kristallen en hun organisatie in een dunne laag te beheersen.

“De prestaties van het huidige vaste‑stof Vis‑naar‑UV TTA‑UC‑systeem kunnen verder worden verbeterd door de donor‑moleculaire structuur te optimaliseren en een gecontroleerd kristallisatieproces toe te passen.”

Toekomstige toepassingen

Momenteel wordt de waterstofproductie gedomineerd door “grijze waterstof” die uit fossiele brandstoffen wordt geproduceerd, en een klein maar groeiend deel wordt gemaakt uit hernieuwbare energie, of “groene waterstof”, die nog steeds moeite heeft om economisch concurrerend te zijn met andere brandstoffen.

Uiteindelijk zou het direct benutten van zonlicht om waterstof te produceren, zonder grootschalige stroomtransmissie, batterijen, kabels en elektro‑katalysatoren, de totale kosten van een dergelijke installatie aanzienlijk kunnen verlagen. Het weglaten van tussenstappen zal bovendien de algehele energie‑efficiëntie van de productie van groene waterstof verbeteren, een ernstig probleem bij methoden die elektro‑katalyse gebruiken.

“Het ontwerpprincipe van de π‑beschermde DHI‑chromoforen die in deze studie zijn ontwikkeld, zal breed worden toegepast op diverse chromoforen. Het maakt uitstekende TTA‑UC‑eigenschappen mogelijk in dunne films die met eenvoudige spin‑coating‑ en druppel‑gietmethoden zijn bereid, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor brede toepassingen en het belooft de fotofunctionele chemie met geëxciteerde triplets te revolutioneren.”

Dergelijke nieuwe vaste‑stof materialen met goede stabiliteit zouden commercieel levensvatbare fotonische materialen van de volgende generatie kunnen opleveren door lage‑intensiteit, overvloedige fotonen om te zetten in waterstof‑genererende, hoge‑intensiteit UV‑fotonen.

Investeren in geavanceerde zonne‑energie

First Solar

Momenteel worden de meeste fotovoltaïsche panelen ter wereld geproduceerd in China, dankzij het uitgebreide ecosysteem van het land in de productie van polysilicium en de fabricage van zonnecellen.

Er bestaat echter andere technologie dan silicium‑gebaseerde zonnecellen, en een van de overlevenden van de zonne‑industrie in het Westen, First Solar (FSLR ), loopt voorop in dit veld met het gebruik van cadmium‑telluride zonnecellen. Deze zijn zowel gemakkelijker te produceren (dunne‑film‑technologie) als efficiënter dan silicium‑gebaseerde cellen, zij het met hogere kosten voor hun grondstof.

Dit type cel is ook duurzamer, wat de berekening van de levensduurkosten van een zonnecel en de afschrijving voor zowel huiseigenaren als nutsbedrijven kan veranderen. Dit is vooral het geval nu de snelle vooruitgang in zonnecelrendement en dalende kosten de afgelopen jaren is afgenomen.

Bron: First Solar

Aangezien de productie van cadmium‑telluride cellen grotendeels een geautomatiseerd productieproces is, is het relatief minder gevoelig voor verschillen in arbeidskosten. Dit kan de productie in westerse landen veel concurrerender maken, vooral wanneer ze lokaal worden verkocht, en het verwijdert verzendkosten uit de berekening.

In plaats van meerdere fabrieken, waarbij elke partij gespecialiseerd is in één segment zoals polysiliciumzuivering, en waarbij het vele dagen duurt om een zonnecel te produceren, kan First Solar van grondstoffen tot eindproduct gaan in minder dan 4 uur.

Bron: Department Of Energy

Op de lange termijn verwacht First Solar in staat te zijn om het cadmium‑telluride van oude cellen volledig te recyclen, en 90% van de totale zonnecellen. De resterende 5‑10% van het gerecyclede module‑afval bestaat voornamelijk uit fijne glasdeeltjes, die worden opgevangen door stofbeheersystemen en High‑Efficiency Particulate Air (HEPA) filtratiesystemen.

Dit zou de materiaalkosten kunnen verlagen, de ecologische kosten van grondstofwinning kunnen wegnemen en eventuele verontreinigingsrisico’s kunnen elimineren.

“Met elke verkochte module hebben we ook de dienst verkocht waarbij we de modules aan het einde van hun levensduur ophalen en recyclen. Dat was ongeveer 8 jaar voordat de regelgeving in Europa werd ingevoerd. We hebben nu de richtlijn voor elektronisch afval waarbij PV deel uitmaakt van die regeling.”

Andreas Wade – Global Sustainability Director at First Solar Future Techs

Naast cadmium‑telluride onderzoekt First Solar ook nog geavanceerdere zonneceltechnologieën, zoals perovskiet- en cadmium‑telluride‑perovskiet‑hybride cellen, die een hoger rendement en nog meer duurzaamheid kunnen hebben.

Op de lange termijn zou de ervaring van First Solar met het produceren van dunne‑film fotovoltaïsche panelen ook kunnen worden toegepast op fotokatalysatorcellen voor waterstofproductie.

Over het algemeen is First Solar een uitstekende aandeel voor beleggers die willen investeren in de zonne‑energieboom met een focus op westerse producenten, in plaats van de geopolitiek gevoelige Chinese producenten.

(U kunt meer lezen over First Solar in ons investeringsrapport gewijd aan het bedrijf en over zonne‑energie in ons rapport “Het Zonnene Tijdperk – Een Heldere Toekomst voor de Mensheid”)

Laatste First Solar (FSLR) aandelen‑nieuws en ontwikkelingen

Bestudeerde studie

^{1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. Sterisch beschermde π-elektronensystemen voor efficiënte vaste‑stof foton‑upconversie. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73898-0}