Photovoltaik-Forschung: Ohio State University entwickelt erste „Solar-Batterie” der Welt; Solarzelle speichert eigenen Solarstrom

Kernstück ist ein maschenartiges Photovoltaik-Modul, das Luft in die Batterie lässt. Ein spezielles Verfahren leitet die Elektronen vom Modul in die Batterieelektrode. Innerhalb des Geräts sorgen Licht und Sauerstoff für die chemischen Reaktionen, welche die Batterie aufladen.

Solar-Batterie soll Photovoltaik-Kosten um 25 Prozent senken
Die Universität will die Solar-Batterie für die Industrie lizensieren, wo sie die Kosten für erneuerbare Energien senken soll, sagt Yiying Wu, Chemie- und Biochemie-Professor an der Universität. Er und seine Studenten gehen davon aus, dass die Erfindung die Photovoltaik-Kosten um 25 Prozent senken kann.
„Das Prinzip besteht darin, mit einem Photovoltaik-Modul Solarstrom zu erzeugen und diesen dann in einer billigen Batterie zu speichern“, so Wu. „Wir haben beide Funktionen in einem Gerät vereint. Immer wenn so etwas möglich ist, senkt das die Kosten.“
Die Erfindung löse auch das alte Wirkungsgrad-Problem der Photovoltaik, denn in der Regel komme es zu Verlusten, wenn Elektronen von einer Solarzelle in eine externe Batterie wandern müssen. Normalerweise schaffen es nur 80 % der Elektronen bis zur Batterie.
Das neue Gerät wandle Licht in der Batterie in Elektronen um, so dass fast 100 % des Solarstroms gespeichert werden könnten.
Der Aufbau ist an eine Batterie angelehnt, die Wu und sein Doktorand Xiaodi Ren kürzlich entwickelt haben. Es handelt sich um eine hoch effiziente Luftbatterie, die sich entlädt, indem Kalium mit Sauerstoff reagiert. Die Entwicklung wurde mit dem mit 100.000 US-Dollar dotierten Energiepreis 2014 des US-Energieministeriums ausgezeichnet. Die Forscher hatten zur Entwicklung der Batterie das Spinoff-Unternehmen KAir Energy Systems, LLC gegründet.

„Eine atmende Batterie”
„Es ist im Wesentlichen eine atmende Batterie“, erklärt der Professor. „Sie atmet beim Entladen ein und beim Laden aus.“
Für die neue Studie wollten die Wissenschaftler ein Photovoltaik-Modul mit einer Batterie kombinieren, die wie die KAir funktioniert. Die Schwierigkeit bestand darin, dass Solarzellen normalerweise aus festen Halbleiterschichten bestehen, die keine Luft in die Batterie lassen.
Der Doktorand Mingzhe Yu hat aus einem Titan-Maschengeflecht ein durchlässiges Modul entwickelt. Dazu züchtete er vertikale Titandioxid-Stäbchen wie Grashalme auf einem flexiblen Gewebe. Die Stäbchen fangen das Sonnenlicht ein, während das Gewebe Luft durchlässt.
Während des Ladens trifft Licht auf das Maschenmodul und löst Elektronen. In der Batterie sorgen diese für die chemische Zersetzung von Lithiumperoxid in Lithium-Ionen und Sauerstoff. Letzterer entweicht in die Luft, und die Li-Ionen werden in Form von Metall in der Batterie gespeichert. Beim Entladen entzieht die Batterie der Umgebungsluft Sauerstoff und bildet wieder Lithiumperoxid.
Zusätzliches Jodid im Elektrolyt wirkt wie ein „Shuttle“, das die Elektronen zwischen der Batterieelektrode und dem Maschenmodul hin- und hertransportiert. Dies sei wichtig, um die Batterieleistung und –Effizienz zu verbessern, betont das Team.
Das Maschengeflecht gehört zur Gruppe der Farbstoff-Solarzellen, weil die Forscher roten Farbstoff verwendeten, um die Wellenlänge des einzufangenden Lichts zu verändern.
In ersten Tests haben sie die Batterie mehrfach ge- und entladen und gehen davon aus, dass die Lebensdauer der Solar-Batterie mit handelsüblichen wiederaufladbaren Akkus vergleichbar ist.
Das Projekt wird vom US-Energieministerium gefördert. Nun suchen die Forscher Möglichkeiten, die Leistung der Solar-Batterie mit neuen Batterien weiter zu steigern.

06.10.2014 | Quelle: Ohio State University; Bild: Yiying Wu | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH