Sonnenlicht rein – Strom raus, lange nach Sonnenuntergang
Solarbatterie auf Basis poröser organischer Materialien.
Dieses Material wirkt wie ein Solarreservoir – es speichert Energie und gibt sie lange nach Sonnenuntergang in Form von Strom wieder ab. Die gewonnene Sonnenenergie kann so auch in der Dunkelheit zur Stromversorgung genutzt werden. Erstmals ist es gelungen, die Gewinnung von Sonnenenergie und die langfristige Speicherung in einem einzigen metallfreien Molekülgerüst zu kombinieren – und damit die Funktionen einer Solarzelle und einer Batterie in einem einzigen leichten und nachhaltigen System zu vereinen.
Forscher der Technischen Universität München (TUM), des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart und der Universität Stuttgart haben mit Unterstützung des Exzellenzclusters e-conversion ein hochporöses, zweidimensionales kovalentes organisches Gerüst (COF) auf Basis von Naphthalindiimid entwickelt. Dieses Gerüst absorbiert nicht nur Sonnenlicht, sondern stabilisiert auch die dabei entstehenden photoinduzierten Ladungen, sodass Energie in wässrigen Umgebungen mehr als 48 Stunden lang gespeichert werden kann.
Die gespeicherten Ladungen werden nicht nur gespeichert, sondern können aktiv entladen werden, um eine externe Last mit Strom zu versorgen, was eine echte energetische Nutzung ermöglicht. „Dieses Material hat eine doppelte Funktionalität und wirkt sowohl als Sonnenabsorber als auch als Langzeit-Ladungsspeicher“, sagt Dr. Bibhuti Bhusan Rath, Erstautor der Studie und Postdoc im Forschungsteam von Prof. Bettina Lotsch, Direktorin am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. „Seine Leistung übertrifft die vieler bestehender optoionischer Materialien – und das ohne den Einsatz von Metallen oder seltenen Elementen.“
Durch die Kombination fortschrittlicher optischer, elektrochemischer und computergestützter Techniken entdeckten die Forscher, dass Wasser eine zentrale Rolle bei der Stabilisierung der gespeicherten Ladungen spielt. Anstatt stark mit externen Ionen zu interagieren, reagieren Wassermoleküle auf die Ladungen im COF-Gerüst so, dass eine energetische Barriere entsteht, die die Rekombination der durch Licht erzeugten Ladungen effektiv verhindert und die Energie für eine spätere Freisetzung speichert. Das Material weist eine Ladungsspeicherkapazität von 38 mAh/g auf und übertrifft damit ähnliche Gerüste und andere lichtempfindliche Materialien wie Kohlenstoffnitride und metallorganische Gerüste.
Einfachheit und Robustheit
Der theoretische Mechanismus hinter diesem Verhalten wurde gemeinsam mit dem Team von Frank Ortmann, Professor für Theoretische Methoden in der Spektroskopie an der TUM School of Natural Sciences und zweiter korrespondierender Autor der Studie, aufgeklärt. In umfangreichen Simulationen evaluierten sie verschiedene Szenarien zur Ladungsstabilisierung. Sie arbeiteten eng mit dem Experimentierteam zusammen, um die Wechselwirkungen zwischen der COF-Struktur, den elektronischen Zuständen und der umgebenden Wasserumgebung zu verstehen. „Die Schönheit dieses Systems liegt in seiner Einfachheit und Robustheit“, sagte Ortmann. „Es speichert lichtinduzierte Ladungen in einem stabilen Zustand, der aus dem einzigartigen Zusammenspiel von Moleküldesign, Gerüstarchitektur und Umgebung resultiert, und gibt sie bei Bedarf wieder frei.“
Das Team, das mit Forschern aus der Gruppe von Prof. Joris van Slageren von der Universität Stuttgart zusammenarbeitete, demonstrierte darüber hinaus eine hervorragende Zyklusstabilität mit einer Kapazitätserhaltung von über 90 % nach mehreren Ladezyklen, was auf eine leistungsstarke neue Plattform für Solarbatterien hindeutet. „Diese Arbeit unterstreicht das Potenzial organischer Gerüste, die nur mit organischen Bausteinen und Wasser für fortschrittliche Energieanwendungen fein abgestimmt werden können“, sagte Hauptautor Lotsch. „Sie ist ein wichtiger Schritt in Richtung nachhaltiger, materialorientierter Energiespeicherlösungen und netzunabhängiger Anwendungen.“ Der innovative Ansatz für Solarbatterien wird am kürzlich gegründeten MPG-TUM Solar Battery Center (SolBat) weiter erforscht.
- Insights into Decoupled Solar Energy Conversion and Charge Storage in a 2D Covalent Organic Framework for Solar Battery Function; B.B. Rath, L. Fuchs, F. Stemmler, A. Rodríguez-Camargo, Y. Wang, M. F. X. Dorfner, J. Olbrich, J. van Slageren, F. Ortmann, B. V. Lotsch; Journal of the American Chemical Society, April 28, 2025, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c17642
