HERNIEUWBARE WATERSTOF GENERATIE WATERSTOFNET CONGRES, HELMOND RUBEN LIETEN, IMEC
HERNIEUWBARE BRANDSTOFFEN ▸ Hernieuwbare brandstoffen? - Hoge energie dichtheid (H2: 10 x beter dan batterijen) - Toepassingen: transport, mobiele toepassingen, …
▸ Waarom waterstof? - Waterstof: H2O → H2 + 1/2O2 Proper!
Fuel cell – Battery system patented by Apple
▸ Huidige productie kost - 4 $/gallon benzine equivalent via CH4 reforming Cfr. 2 $/gallon benzine - Met zonneenergie: 12 $/gallon benzine equivalent
→ productiekost hernieuwbare H2 moet omlaag
© IMEC 2013
2
OVERZICHT 1. Introductie IMEC “Energie” activiteiten 2. Hernieuwbare H2 generatie met electrolyse ▸ PV + electrolyzer (indirect): demo ▸ Directe fotoelectrolyse: onderzoek
© IMEC 2013
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 2013
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
© IMEC 2013
▸ 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 2013
IMEC
6
OVERZICHT 1. Introductie IMEC “Energie” activiteiten 2. Hernieuwbare H2 generatie met electrolyse ▸ PV + electrolyzer (indirect): demo ▸ Directe fotoelectrolyse: onderzoek
© IMEC 2013
7
OVERZICHT 1. Introductie IMEC “Energie” activiteiten 2. Hernieuwbare H2 generatie met electrolyse ▸ PV + electrolyzer (indirect): demo ▸ Directe fotoelectrolyse: onderzoek → mogelijkheden demonstreren van hernieuwbare H2 → demonstreren fotoelectrolyse als innovatieve methode
© IMEC 2013
8
HERNIEUWBARE H2 GENERATIE
Turner, J et al., International Journal of Energy Research 32 (2008)
▸ Water fotoelectrolyse is één van de vele manieren om hernieuwbare H2 te bekomen
© IMEC 2013
9
HERNIEUWBARE WATERSTOF ▸ Waterstof via PV + electrolyzer: demo ▸ Productie efficientie? - Electrolyzer: max 80% - Si PV: 20% → max 16% zon-naar-H2 efficientie - III-V PV: 40% → max 32% zon-naar-H2 efficientie (12 $/gallon benzine equiv. vs. 2$/gallon benzine)
▸ Opslag efficientie? - Hangt af van opslaghoeveelheid en methode (10 x betere energie dichtheid dan batterijen)
PV
Electrolyzer
▸ Fuel cell efficientie?
H2
- max 60 %
Applications
© IMEC 2013
Fuel cell
10
WATERSTOF ZONNEVOLGER ~ 1m2
Mirrors
Si PV panels (14% at 1 sun) Zonnevolger Electrolyzer (21%) Fuel cell (54%)
H2 opslag © IMEC 2013
11
CONTROLE SOFTWARE
Demo → Hoge school Zuyd © IMEC 2013
12
OVERZICHT 1. Introductie IMEC “Energie” activiteiten 2. Hernieuwbare H2 generatie met electrolyse ▸ PV + electrolyzer (indirect): demo ▸ Directe fotoelectrolyse: onderzoek
© IMEC 2013
13
DIRECTE FOTOELECTROLYSE
= zonnecel en electrolyzer gecombineerd Halfgeleider materiaal + licht → fotostroom
Fotostroom + H2O → H2 en O2 aan oppervlak → Goedkoper en efficienter dan indirecte methode (PV + electrolyzer)
© IMEC 2013
14
UITDAGINGEN ▸ 12-16% efficientie aangetoond door NREL voor InGaP tandem cel ▸ Levensduur beperkt tot 100 uur = Corrosie beperken → Hoge kost -
-
Materiaal keuze Nanopatterning
© IMEC 2013
Material keuze: stabiel + p-type Electrolytische oplossing Beschermlaag
-
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) © IMEC 2013
16
FOTOELECTROLYSE ONDERZOEK Productie kost 1. MOCVD productie (200 mm) 1. Self-assembled metaal masker voor nanopatterning
250 nm
Ni SiO2
ETS
GaN Si * W.
GaN
1 μm 1μm
J. Tseng et al., Applied Physics Letters 101, 253102 (2012) © IMEC 2013
17
FOTOELECTROLYSE ONDERZOEK Levensduur ▸ ▸ ▸ ▸
Focus op stabiele materialen → III-Nitrides Electrolytische oplossing (pH, ionen,…) P-type materialen* → H2 generatie aan oppervlak Extra beschermlaag (enkele atoomlagen) - Atomic layer deposition (ALD): oxides - Diamond (Universiteit Gdansk)
diamond
3 nm TiO2 GaN *R.
1μm
R. Lieten,et al. Journal of Physics D: Applied Physics 44, 135406 (2011)
© IMEC 2013
18
VOORUITZICHT ▸ Uitdagingen fotoelectrolyse - Efficientie vs. Levensduur vs. Kostprijs
▸ Doorbraak op vlak van corrosie noodzakelijk → ontwikkeling beschermlaag → verbeteren van materiaalkwaliteit → ontwikkeling nieuwe materialen
© IMEC 2013
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 ▸
[email protected] ▸ +32 16 281259
WWW.IMEC.BE
IMEC PV RESEARCH
Efficiency target
▸ €/Wp reductie is de aandrijving ▸ 2 technologie groepen
30 % -
20 % -
10 % 1.5
1
0.75
Cost(€/Wp) on module level
< 0.5
IMEC BATTERIJ ONDERZOEK 1 to investigate interfaces and develop material combinations
Planar thin-film platform
Transfer of learning to ceramic batteries
current collector
3
3D thin-film battery devices
ANODE Electrolyte CATHODE current collector
Composite electrolytes Ultra-fast charging flexible thin batteries
© IMEC 2013
2
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
© IMEC 2013
pH = 14
24
