HERNIEUWBARE WATERSTOF GENERATIE WATERSTOFNET CONGRES, HELMOND RUBEN LIETEN, IMEC
HERNIEUWBARE BRANDSTOFFEN Hernieuwbare brandstoffen? - Hoge energie dichtheid (H 2 : 10 x beter dan batterijen) - Toepassingen: transport, mobiele toepassingen, Waarom waterstof? - Waterstof: H 2 O H 2 + 1/2O 2 Proper! Fuel cell Battery system patented by Apple Huidige productie kost - 4 $/gallon benzine equivalent via CH 4 reforming Cfr. 2 $/gallon benzine - Met zonneenergie: 12 $/gallon benzine equivalent productiekost hernieuwbare H 2 moet omlaag 2
OVERZICHT 1. Introductie IMEC Energie activiteiten 2. Hernieuwbare H 2 generatie met electrolyse PV + electrolyzer (indirect): demo Directe fotoelectrolyse: onderzoek 3
SILICIUM PHOTOVOLTAICS 30 jaar ervaring in zonnecel R&D Verbreding van cel ontwikkeling naar materialen, modules and PV systemen Focus op industriele processen voor hoge efficientie zonnecellen in 3 gebieden 1000 m² state of the art pre-pilot line IMEC 4
DUNNE FILM PHOTOVOLTAICS Solliance R&D partnership op dunne film PV R&D in Eindhoven-Leuven-Aachen driehoek Organische zonnecellen (OPV) Dun, flexibel, semi-transparant, printbaar Verbeteren efficientie (~9%), reliabiliteit, productie kost CZTS zonnecellen als alternatief voor CIGS ~10% efficientie Multi-junctie toepassingen IMEC 5
IMEC ENERGIE ACTIVITEITEN Batterij onderzoek - Integratie dunne film batterijen en electronica Licht gevende diodes - GaN op 200 mm silicium substraten: kost besparing Hoog vermogen electronica - Hernieuwbare electriciteit - Elektrische wagens IMEC 6
OVERZICHT 1. Introductie IMEC Energie activiteiten 2. Hernieuwbare H 2 generatie met electrolyse PV + electrolyzer (indirect): demo Directe fotoelectrolyse: onderzoek 7
OVERZICHT 1. Introductie IMEC Energie activiteiten 2. Hernieuwbare H 2 generatie met electrolyse PV + electrolyzer (indirect): demo Directe fotoelectrolyse: onderzoek mogelijkheden demonstreren van hernieuwbare H 2 demonstreren fotoelectrolyse als innovatieve methode 8
HERNIEUWBARE H 2 GENERATIE Turner, J et al., International Journal of Energy Research 32 (2008) Water fotoelectrolyse is één van de vele manieren om hernieuwbare H 2 te bekomen 9
HERNIEUWBARE WATERSTOF Waterstof via PV + electrolyzer: demo Productie efficientie? - Electrolyzer: max 80% - Si PV: 20% max 16% zon-naar-h 2 efficientie - III-V PV: 40% max 32% zon-naar-h 2 efficientie (12 $/gallon benzine equiv. vs. 2$/gallon benzine) Opslag efficientie? - Hangt af van opslaghoeveelheid en methode (10 x betere energie dichtheid dan batterijen) Fuel cell efficientie? - max 60 % PV Electrolyzer H 2 Applications Fuel cell 10
WATERSTOF ZONNEVOLGER ~ 1m 2 Mirrors Si PV panels (14% at 1 sun) Electrolyzer (21%) Zonnevolger Fuel cell (54%) H 2 opslag 11
CONTROLE SOFTWARE Demo Hoge school Zuyd 12
OVERZICHT 1. Introductie IMEC Energie activiteiten 2. Hernieuwbare H 2 generatie met electrolyse PV + electrolyzer (indirect): demo Directe fotoelectrolyse: onderzoek 13
DIRECTE FOTOELECTROLYSE = zonnecel en electrolyzer gecombineerd Halfgeleider materiaal + licht fotostroom Fotostroom + H 2 O H 2 en O 2 aan oppervlak Goedkoper en efficienter dan indirecte methode (PV + electrolyzer) 14
UITDAGINGEN 12-16% efficientie aangetoond door NREL voor InGaP tandem cel Levensduur beperkt tot 100 uur Hoge kost = Corrosie beperken - Material keuze: stabiel + p-type - Electrolytische oplossing - Beschermlaag - Materiaal keuze - Nanopatterning - Materiaal keuze - Productiemethode - Onderhoud 15
FOTOELECTROLYSE ONDERZOEK Efficientie Directe band gap III-Nitrides Nanopatterning - Oppervlakte x ~ 6-7 - 1.2 μm fotostroom +80% * * W. J. Tseng et al., ECS Electrochemistry Letters 2, H51 (2013) 16
FOTOELECTROLYSE ONDERZOEK Productie kost 1. MOCVD productie (200 mm) Ni 1. Self-assembled metaal masker voor nanopatterning 250 nm SiO 2 GaN ETS GaN Si 1μm 1 μm * W. J. Tseng et al., Applied Physics Letters 101, 253102 (2012) 17
FOTOELECTROLYSE ONDERZOEK Levensduur Focus op stabiele materialen III-Nitrides Electrolytische oplossing (ph, ionen, ) P-type materialen * H 2 generatie aan oppervlak Extra beschermlaag (enkele atoomlagen) - Atomic layer deposition (ALD): oxides - Diamond (Universiteit Gdansk) 3 nm TiO 2 diamond GaN 1μm * R. R. Lieten,et al. Journal of Physics D: Applied Physics 44, 135406 (2011) 18
VOORUITZICHT Uitdagingen fotoelectrolyse - Efficientie vs. Levensduur vs. Kostprijs Doorbraak op vlak van corrosie noodzakelijk ontwikkeling beschermlaag verbeteren van materiaalkwaliteit ontwikkeling nieuwe materialen 19
ACKNOWLEDGEMENTS TEAM acknowledgment: Geert Doumen, Peter Tseng, Johan Dekoster, Willem van de Graaf, Mohan Paladugu, Philippe Vereecken, Gustaaf Borghs, Jyotirmoy Chatterjee, Yves Mols, Quanbao Ma, Michiel Theunis, Pieter Claes, Jan Genoe, Bruno Baert, Stefan Degroote, Bram Sijmus, Maarten Leys AGC voor zonnespiegels 20
FOR MORE INFORMATION CONTACT Philip.Pieters@imec.be +32 16 281259 WWW.IMEC.BE
IMEC PV RESEARCH /Wp reductie is de aandrijving 2 technologie groepen Efficiency target 30 % - 20 % - 10 % - 1.5 1 0.75 < 0.5 Cost( /Wp) on module level
IMEC BATTERIJ ONDERZOEK to investigate interfaces and develop material combinations 3 3D thin-film battery devices 1 Planar thin-film platform current collector ANODE Electrolyte CATHODE current collector 2 Composite electrolytes Transfer of learning to ceramic batteries Ultra-fast charging flexible thin batteries 0.01S/cm electrolyte material (thin films and pellets) IMEC 23
SOLUTION-RELATED CORROSION MORPHOLOGY Water oxidation, corrosion/passivation at the photoanode (n-gan) during photoelectrolysis Acid: nanopores and whiskers Alkaline: plane selected ph = 2 ph = 14 24