Van buigbare zonnecellen tot betere batterijen, cleantech heeft bondgenoot in thin films

By Mauro Mereu

Als je aan thin film-technologie denkt, bestaat de kans dat je als eerst aan de screenprotector van je smartphone denkt, plastic voor voedselverpakking, of het filmrolletje van de analoge camera’s. Dit is nog maar het topje van de ijsberg: er kunnen veel meer dingen worden gedaan met thin-film, zoals het produceren van groene energie, het vastleggen van CO₂ of het opslaan van energie.

Over materialen en technologie gesproken: een thin-film is een materiaal met een dikte in de orde van nanometers (nm) tot micrometers (μm). Deze films worden afgezet op een substraat of oppervlak. Eigenschappen van dit materiaal zijn geschikt voor verschillende toepassingen. In de elektronica worden thin-films bijvoorbeeld gebruikt om halfgeleiderelementen, circuits en fijne transistors te maken.

De Brainport regio is een hotspot voor onderzoek en ontwikkeling van thin-filmtechnologieën. Het Holst Centre – een onderzoekslaboratorium van de toonaangevende Nederlandse en Belgische onderzoeksinstituten TNO en imec – is waar veel van deze innovaties tot stand komen. Om thin-filmtechnologie in de schijnwerpers te zetten, organiseerde de HTCE een seminar over het onderwerp, waarbij een overzicht werd gegeven van de huidige stand van zaken van de technologie met presentaties en demo’s.

Nieuwe oplossingen voor zonne-energie

Zonnetechnologie is een van de domeinen die het meest profiteert van ontwikkelingen op het gebied van thin-film. Een voorbeeld is HyET Solar, dat Powerfoil ontwikkelde, een flexibele en goedkope fotovoltaïsche module. Dit betekent dat het zonlicht efficiënt kan omzetten in elektriciteit. De flexibiliteit van deze technologie maakt het mogelijk om het op verschillende oppervlakken aan te brengen, waardoor een veelzijdigere en aanpasbare benadering van het benutten van zonne-energie mogelijk wordt.

Om de modules te produceren, ontwikkelde het Arnhemse bedrijf een eigen technologie waarbij gebruik wordt gemaakt van een rol-naar-rol methode, met rollen dunne silicium zonnefilms die aan andere foliesubstraten worden bevestigd. HyET Solar was een van de bedrijven die zijn technologie toonde in een demostand tijdens het evenement. Powerfoil is een lichtgewicht oplossing gemaakt met silicium zonnecellen, waardoor het een goedkope oplossing is. Het bedrijf ontwikkelt zijn concept verder en werkt samen met TNO, dat thin-filmtechnologie heeft gebruikt voor een andere innovatieve zonneceltoepassing.

Tijdens het evenement presenteerde Sjoerd Veenstra, programmamanager Perovskiet zonnecellen en -modules bij TNO, een klimopvormig zonne-energiesysteem met thin-film. Een van de HTCE-gebouwen is de proeftuin voor de technologie en dient als voorbeeld voor de toepassing van zonne-energie op gevels. Om de toepassing van zonne-energie te versnellen, wil het onderzoeksinstituut de productie van thin-film zonnecellen optimaliseren, mogelijk door de processen te automatiseren met behulp van robots.

CO₂ vastleggen

Enerzijds kan het probleem van de koolstofuitstoot worden aangepakt door de uitstoot te beperken, anderzijds is het ook mogelijk om koolstofdioxide uit de atmosfeer vast te leggen. Directe luchtafvang (DAC) is een van de belangrijkste technologieën onder de paraplu van koolstofafvang. DAC bestaat uit het direct verwijderen van CO₂ uit de lucht met behulp van specifieke chemische processen of materialen om koolstof op te slaan en opnieuw te gebruiken voor andere doeleinden. Thin-filmtechnologie kan ook in deze sector een rol spelen.

Carbyon is een in Eindhoven gevestigd koolstofafvangbedrijf dat gebruik maakt van een thin-filmoplossing om CO₂ uit de lucht vast te leggen. COO Marco Arts legt uit waarom deze oplossing de absorptie van kooldioxide vergemakkelijkt. Het bedrijf is ontstaan uit een idee binnen TNO’s Solliance-initiatief, waarbij werd nagedacht over het gebruik van een thin-koolstofvezelfilm om koolstof vast te leggen.

Conventionele DAC-technologie werkt met poreuze materialen die koolstof binden wanneer er lucht op wordt geblazen. De poriën zijn gevuld met oplosmiddelen die het vastleggen gemakkelijker maar inefficiënt maken. Daarentegen zorgt het gebruik van een dun filmmateriaal voor een groter oppervlak waar lucht ingeblazen kan worden, waardoor het proces efficiënter verloopt en het DAC-apparaat kleiner wordt. Dat is wat Carbyon momenteel aan het testen is terwijl het zich voorbereidt op het opschalen van zijn technologie.

Carbyon bereikt mijlpaal met ultrasnel koolstofafvang proces

Carbyon, een Nederlands bedrijf dat voorop loopt in Direct Air Capture (DAC) technologie, heeft een belangrijke doorbraak bereikt. Ze hebben een uniek, ultrasnel proces ontwikkeld om CO2 vast te leggen met een energiebehoefte van minder dan 2.500 kWh per ton, een belangrijke mijlpaal.

Batterijen met betere prestaties

Batterijen zijn een belangrijke factor in de elektrificatie van de samenleving. Ze zijn onmisbaar om auto’s van energie te voorzien of hernieuwbare energie op te slaan. Hoewel velen denken dat hun prestaties uitsluitend worden beïnvloed door hun bulkmaterialen – lithium, kobalt of het duurzamere natrium – hebben veel oppervlakken binnen de structuur invloed op hun gedrag. Met name de elektrode-interface bepaalt voor een groot deel de prestaties van de batterij.

Het coaten van elektroden met thin-film bleek de elektrode-interface te stabiliseren en zo de prestaties van de batterij te verbeteren. Diederick Spee, ceo van Kalpana Systems, legde uit hoe zijn bedrijf dit doet door middel van Spatial Atomic Layer Deposition (sALD). De techniek bestaat uit het afzetten van thin-lagen met nauwkeurige controle op atomair niveau. Aangezien sALD een gevestigde technologie is, richtte het Delftse bedrijf zich op het ontwikkelen van een systeem dat hogere nauwkeurigheidsnormen garandeert.

Naarmate het onderzoek naar thin-films vordert, verbetert de technologie. Naast cleantech zijn er toepassingen te vinden in een andere belangrijke domeinen, zoals de gezondheidszorg. Denk aan draagbare technologie, met apparaten die lichaamsvloeistoffen kunnen bijhouden. Thin-films, brede impact.

Overgangen mogelijk maken

Naarmate het onderzoek naar thin-films bij het Holst Center en TNO wordt voortgezet, zullen thin-films verbeteren en krachtige enablers blijven. Naast cleantech zijn er toepassingen te vinden in een ander kritisch domein, zoals de gezondheidszorg. Denk aan draagbare technologie, met apparaten die lichaamsvloeistoffen kunnen bijhouden. Thin-films, brede impact.