Grafeen: de heilige graal van zonne

Grafeen:
de heilige graal
van zonne-energie?
Grafeen belooft al tien jaar dé toekomst te zijn voor uiteenlopende toepassingen in onder meer de elektronica- en energiesector. Het 1 atoom dikke supermateriaal is namelijk tweehonderd keer sterker dan
staal en heeft een extreem hoge elektrische geleidbaarheid. Daarnaast is het lichtdoorlatend en flexibel
en biedt hiermee waarschijnlijk baanbrekende mogelijkheden voor de productie van pv-panelen.
Tekst: ing. M. de Wit-Blok
16
Fotografie: Industrie
E&I -Juni ‘15
EI06 16-18.indd 16
28-05-15 11:43
Thema: Solar
D
e ontdekking van grafeen was een toevallige. Het begon met theoretici die bezig
waren met het rekenen aan de geleidbaarheid van de stof grafiet; dit is zuivere
koolstof waarvan de atomen zich in lagen rangschikken die door zeshoeken wordt gevormd.
Omdat rekenen in 3D veel moeilijker is dan rekenen
in 2D, besloten de wetenschappers eerst maar eens
te rekenen aan een enkele laag atomen in plaats
van direct aan grafiet. Dat rekent sneller en makkelijker en kan eveneens veel waardevolle informatie
opleveren over de geleidbaarheid. Dit 2D-model
kreeg de naam grafeen.
Grafeen
In eerste instantie was grafeen dus een theoretisch
materiaal. Het bestaat uit een laag koolstof van
1 atoom dik waarbij deze atomen zodanig zijn gerangschikt dat een honingraatrooster ontstaat. Juist
deze rangschikking geeft het materiaal bijzondere
eigenschappen. Zo zijn de verbindingen tussen de
atomen onderling zo sterk, dat grafeen tot tweehonderd keer sterker is dan staal. Andere bronnen
geven zelfs een factor 300 aan.
Verder zorgt de honingraatstructuur ervoor dat er
relatief veel vrije elektronen beschikbaar zijn, wat
betekent dat grafeen een extreem efficiënte geleider is. Veelbelovende eigenschappen voor onder
meer de elektronica- en energiesector. Daarnaast
is het materiaal in grote mate hittebestendig,
transparant en zeer
buigzaam.
De eerste die het
materiaal wist te
produceren en hiermee
beschikbaar te maken
voor onderzoek was
de Nederlands-Britse
natuurkundige Andre
Konstantinovitsj Geim.
Dit deed hij eigenlijk
heel eenvoudig met
de plakbandmethode.
Hij startte met het zetten van een potloodstreep
van grafiet waarna hij met plakband laagje voor
laagje 'afpelde', tot hij een laagje van 1 atoom dik
overhield dat hij uiteindelijk onder een microscoop
verder kon onderzoeken. In 2004 lukte het hem
voor het eerst grafeen te isoleren en hiermee een
veldeffecttransistor te bouwen. In 2010 ontving hij
samen met zijn promovendus Konstantin Novoselov de Nobelprijs voor de Natuurkunde vanwege
hun onderzoek naar de eigenschappen van grafeen.
Graphene Flagship Project
Het 'Graphene Flagship Project' ontving
in oktober 2013 een miljard euro van de
Europese Commissie met als doel grafeen
naar een hoger plan te tillen. De subsidie is
verdeeld over tien jaar waarin onderzoek
wordt gedaan naar mogelijke toepassingen
van het materiaal. Zowel onderzoeksinstituten als bedrijven nemen deel aan dit project
en proberen in deze tien jaar de stap te
maken van laboratorium naar toepassingen
in de maatschappij. Het project wordt geleid
door Chalmers University of Technology in
Gotenburg (Zweden).
Meerweten?www.graphene-flagship.eu.
De methode van Geim, waarbij net zo lang laagjes
van grafiet worden verwijderd tot grafeen over is,
is voor industriële productie geen haalbare kaart.
De methode die tot nu toe vooral wordt gebruikt
heet 'chemical vapour deposition (CVD). Hierbij
wordt de koolstof als het ware 'opgedampt' op een
geleidend materiaal waarmee grotere oppervlakken zijn te produceren. Dit proces is redelijk goed te
beheersen, maar nadat grafeen is gevormd op het
geleidende materiaal,
is het praktisch niet
te verwijderen zonder
het te beschadigen.
Het transport van de
1 atoom dikke laag naar
de uiteindelijke toepassing vormt dan ook het
grootste probleem bij
deze productiemethode.
Wereldwijd wordt door
bedrijven en onderzoeksinstituten gewerkt aan een mogelijke oplossing hiervoor. Ook in Nederland is dit het geval.
Onder andere bij de universiteit van Delft deed een
promovendus onderzoek naar het productieproces.
Shou-En Zhu promoveerde in maart van dit jaar op
een methode waarmee hij grafeen direct uit aardgas of biogas maakt. Hiertoe brengt hij bij 1.000 °C
methaan in contact met koper. Het methaan,
waarvan elke molecule bestaat uit 1 koolstofatoom
en 4 atomen waterstof, splitst hierdoor in losse
atomen waarbij de koolstofatomen als een enkele
laag op het koper blijven plakken. De promovendus
verwacht hiermee in elk geval de kostprijs met een
factor duizend te kunnen verlagen tot ongeveer
1 euro per vlokje.
Grafeen lijkt een
veelbelovend materiaal,
maar de productie is een
probleem
Productie
Ondanks het feit dat grafeen een veelbelovend
materiaal lijkt voor uiteenlopende toepassingen,
ligt een belangrijk probleem in de productie ervan.
E&I - Juni ‘15
EI06 16-18.indd 17
17
28-05-15 11:43
Thema: Solar
Toepassingen
afwijkende vormen. Verder is het goed dat er ook
in de industrie bedrijven zijn die hun nek durven uit
te steken. Zo hebben inspanningen van bedrijven
als ibm, Nokia en Samsung – en op nationaal niveau
asmi, Hauzer en nxp – de afgelopen jaren geleid tot
de opbouw van veel wetenschappelijke kennis en
een groot aantal gepatenteerde applicaties.'
Hoe lang het nog gaat duren voordat de industrie
echt met grafeen aan de slag kan is moeilijk te
voorspelen; we zijn nu tien jaar voorbij de ontdekking van het materiaal. De eerste producten
bestaan al.
Als het eenmaal is gelukt grafeen op grote schaal
tegen een aanvaardbare prijs te produceren en te
'behandelen', dan liggen er al voldoende ideeën,
prototypen en laboratoriumresultaten klaar om het
'wondermateriaal' toe te passen.
Veelbelovend lijkt de toepassing in pv-panelen
omdat grafeen hier de efficiëntie kan verbeteren,
de productiekosten kan verlagen en een aantal milieugerelateerde problemen kan oplossen. Grafeen
is immers pure koolstof en daarmee een 100 procent natuurlijk product. Daarnaast is het materiaal
doorzichtig en flexibel en zou hiermee een goede
vervanger kunnen zijn voor de indium-tinoxidefilms
die nu bij pv-panelen worden gebruikt en die
relatief bros zijn. Tevens kan het als katalysator in
kleurstofzonnecellen fungeren in plaats van platina,
waardoor grafeen kostenbesparend kan werken.
Kijk voor meer informatie op www.grafeen.nl.
Thermo-elektrische apparatuur
18
800
50
1,25
400
0
0
0
totale omzet 2012 134 miljoen
omzet in Nederland 2012
92 miljoen
1.360 fte
2,5
aantal fte’s 2012
100
1.360 fte
1.200
aantal fte’s 2013
3,75
150
2.332 fte
1.600
aantal fte’s 2014
5,0
6,5 miljoen
200
winst 2012
2.000
5,7 miljoen
6,25
winst 2013
250
4,6 miljoen
2.400
winst 2014
7,5
x 1.000.000 €
300
totale omzet 2013 211 miljoen
omzet in Nederland 2013 142 miljoen
Prof. dr. Guido Janssen, werkzaam aan de faculteit
3me – Precision and Microsystems Engineering
van de tu Delft, weet: 'Ondanks alle veelbelovende
toepassingen missen we nog steeds een 'killer
Application'. Dit is een toepassing die uitsluitend
mogelijk is met – in dit geval – grafeen. De hiervoor
genoemde mogelijkheden hebben niet per sé grafeen nodig; het is ook mogelijk met andere materialen, ondanks het feit dat het hierdoor duurder is of
wellicht minder efficiënt. Dit frustreert de 'drive' om
de productie van grafeen echt op te pakken en door
te zetten.'
'Ik zie op de relatief korte termijn mogelijkheden
voor vlakke schermen, direct gevolgd door de
sensortechnologie. Onze promovendus heeft
bijvoorbeeld veelbelovende proeven met druksensoren gedaan. In een later stadium ga je richting
zonnecellen en snelle transistoren. Daarbij is de
flexibiliteit van grafeen al meer dan eens inspiratiebron geweest voor het ontwerpen van de meest
omzet, winst en aantal voltijdsbanen totaal installateurs (2012, 2013, 2014)
totale omzet 2014 241 miljoen
omzet in Nederland 2014 237 miljoen
Killer application
De vier belangrijkste Solar trends
x 1.000.000 €
Thermo-elektrische apparaten zijn in staat temperatuurverschillen of zonnewarmte om te zetten
in elektrische energie. Met de laatste eigenschap
kunnen deze apparaten ook een goede aanvulling
zijn op pv-panelen. De effectiviteit van thermoelektrische materialen hangt onder meer samen
met het vermogen elektriciteit goed te kunnen
geleiden en warmte juist niet. Twee eigenschappen
die te vinden zijn bij grafeen.
Ook in brandstofcellen kan grafeen een steentje
bijdragen als vervangend materiaal voor de relatief
dure elektrodes. Deze elektrodes – die fungeren als
katalysatoren in de benodigde chemische reactie
– worden nu vervaardigd uit kostbare edelmetalen,
zoals goud en platina. Een vervanging door grafeen
kan tot belangrijke kostenbesparingen leiden.
Tot slot zou grafeen een bijdrage kunnen leveren
aan het verhogen van de capaciteit van oplaadbare
batterijen en zogeheten supercondensatoren.
- Vrijwel evenveel installateurs verwachten omzet- en winstdaling als
stijging.
- 2016 en 2017 worden aangemerkt als groei-jaren.
- Het merendeel van de installateurs spreekt van (heel) lage winstmarges bij zonne-energiesystemen.
- Afschaffing van de importheffing en het beperken van de inkoopacties moet de marges verbeteren.
Bron: National Solar Trendrapport 2015.
E&I -Juni ‘15
EI06 16-18.indd 18
28-05-15 11:43