Forschende des Exzellenzclusters e-conversion haben eine neue Solarbatterie entwickelt, die Sonnenlicht absorbiert und es speichern kann. Bei dem Material handelt es sich um eine zweidimensionale organische Gerüstverbindung (covalent organic framework, kurz COF) auf Basis von Naphthalendiimid. Dieses Gerüstmaterial absorbiere nicht nur Sonnenlicht, sondern stabilisiere auch die dabei entstehenden Ladungen, teilte der Cluster mit. Es ermögliche damit eine Energiespeicherung von über 48 Stunden im wässrigen Medium. Die gespeicherten Ladungen blieben ferner nicht nur stabil, sondern ließen sich gezielt für die Energieversorgung externer Geräte nutzen. Das System kombiniere somit die Funktionen einer Solarzelle und einer Batterie.

„Dieses Material hat eine Doppelfunktion: Es wirkt sowohl als Sonnenlicht-Absorber als auch als Langzeit-Ladungsspeicher“, sagt Dr. Bibhuti Bhusan Rath, Erstautor der Studie und Postdoktorand im Team von Prof. Bettina Lotsch, Direktorin am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. „Seine Leistungsfähigkeit übertrifft die vieler existierender optoionischer Materialien – und das ganz ohne Metalle oder seltene Elemente.“

Hohe Zyklenstabilität

Durch die Kombination moderner optischer und elektrochemischer Methoden sowie computergestützter Simulationen entdeckten die Forschenden, dass Wasser eine zentrale Rolle bei der Stabilisierung der gespeicherten Ladungen spielt. Anstelle einer Wechselwirkung mit externen Ionen beeinflussen die im COF-Rückgrat gespeicherten Ladungen die Orientierung der umgebenden Wassermoleküle in einer Weise, die zur Bildung einer energetischen Barriere führt. Diese verhindere effektiv die Rekombination der lichtinduzierten, gespeicherten Ladungen – und hält die Energie für eine spätere Nutzung vor. Das Material erreiche eine Ladungsspeicherkapazität von 38 mAh/g. Das übertreffe damit sowohl vergleichbare Gerüstmaterialien als auch andere molekulare Halbleiter wie Kohlenstoffnitride oder metallorganische Gerüstverbindungen.

Der theoretische Mechanismus hinter diesem Verhalten wurde gemeinsam mit der TUM School of Natural Sciences aufgeklärt. Zum Team zähle ferner die Universität Stuttgart. Gemeinsam berichteten sie auch über die Zyklenstabilität. Nach zehn Ladezyklen blieb über 90 % der Kapazität erhalten – ein starkes Argument für den Einsatz als Solarbatterie. „Diese Arbeit zeigt das Potenzial organischer Gerüstmaterialien, gezielt für fortschrittliche Energieanwendungen angepasst zu werden – allein auf Basis organischer Bausteine und Wasser“, sagt Lotsch, leitende Autorin der Studie. „Das ist ein bedeutender Schritt in Richtung nachhaltiger, materialbasierter Energiespeicherlösungen und autarker Anwendungen.“ Der innovative Ansatz wird am neu gegründeten MPG-TUM-Zentrum für Solarbatterien (SolBat) weiter erforscht.

Quelle: E-Conversion | www.solarserver.de © Solarthemen Media GmbH