Faszination Technik Sonnenlicht rein, Energie raus – noch lange nach Sonnenuntergang

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: eine Speicherlösung aus organischem Material, die Solarenergie mehr als 48 Stunden lang speichern kann.

Forschende der Technischen Universität München (TUM), des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart und der Universität Stuttgart haben mit Förderung des Exzellenzclusters e-conversion eine hochporöse, zweidimensionale organische Gerüstverbindung auf Basis von Naphthalendiimid entwickelt. Dieses Gerüstmaterial absorbiert nicht nur Sonnenlicht, sondern stabilisiert auch die dabei entstehenden Ladungen – und ermöglicht so eine Energiespeicherung von über 48 Stunden im wässrigen Medium.

Sonnenlicht-Absorber und Langzeitspeicher vereint

Das Material funktioniert wie ein Sonnenspeicher: Es fängt Sonnenlicht ein und liefert auch Stunden nach Sonnenuntergang noch Energie. Die eingefangene Sonnenenergie lässt sich so auch im Dunkeln zur Stromversorgung nutzen. Erstmals ist es dabei gelungen, Lichtnutzung und Langzeitspeicherung der gewonnenen Energie in einem metallfreien molekularen Gerüstmaterial zu vereinen – einem leichten und nachhaltigen System, das die Funktionen einer Solarzelle und einer Batterie kombiniert.

Die gespeicherten Ladungen bleiben nicht nur stabil, sondern lassen sich gezielt für die Energieversorgung externer Geräte nutzen. „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.“

Wasser spielt zentrale Rolle

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 in der organischen Gerüstverbindung (covalent organic framework, kurz COF) gespeicherten Ladungen die Orientierung der umgebenden Wassermoleküle in einer Weise, die zur Bildung einer energetischen Barriere führt.

• Diese verhindert effektiv die Rekombination der lichtinduzierten, gespeicherten Ladungen – und hält die Energie für eine spätere Nutzung vor.

• Das Material erreicht eine Ladungsspeicherkapazität von 38 mAh/g und übertrifft damit den Forschenden zufolge sowohl vergleichbare Gerüstmaterialien als auch andere molekulare Halbleiter wie Kohlenstoffnitride oder metallorganische Gerüstverbindungen.

Einfach und robust

Der theoretische Mechanismus hinter diesem Verhalten wurde gemeinsam mit dem Team von Frank Ortmann, Professor für Theoretical Methods in Spectroscopy an der TUM School of Natural Sciences, dem zweiten korrespondierenden Autor der Studie, aufgeklärt. In umfassenden Simulationen untersuchten sie verschiedene Szenarien zur Ladungsstabilisierung und kooperierten eng mit den experimentell arbeitenden Forschenden, um das Zusammenspiel zwischen COF-Struktur, elektronischen Zuständen und der Wasserumgebung zu verstehen. „Was dieses Systems auszeichnet, ist seine Einfachheit und Robustheit“, so Ortmann. „Es kann lichtinduzierte Ladungen in einem stabilen Zustand speichern – dank des fein abgestimmten Zusammenspiels von Moleküldesign, Gerüststruktur und umgebender Matrix – und sie bei Bedarf wieder freisetzen.“

Organische Bausteine und Wasser für fortschrittliche Energieanwendungen

Das Team, das auch mit Forschenden um Prof. Joris van Slageren von der Universität Stuttgart zusammenarbeitete, zeigte zudem, dass eine hervorragende Zyklenstabilität vorliegt: Nach zehn Ladezyklen blieb über 90 Prozent 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 Ansatz wird am neu gegründeten MPG-TUM-Zentrum für Solarbatterien (SolBat) weiter erforscht.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal konstruktionspraxis erschienen.

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