Forschende aus Deutschland haben eine organische Verbindung entwickelt, die künftig Funktionen einer stromerzeugenden Solarzelle und einer Solarbatterie in einem Material möglich machen könnte. Das Gerüstmaterial absorbiert nicht nur Sonnenlicht, sondern stabilisiert auch die dabei entstehenden Ladungen und speichert die Energie bis zu 48 Stunden in einem wässrigen Medium.
Das von Forschenden der Technischen Universität München (TUM), des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung und der Universität Stuttgart entwickelte Material funktioniert wie ein Sonnenspeicher: Es fängt Sonnenlicht ein und kann die Energie bis zu 48 Stunden später wieder als Strom abgeben. Die eingefangene Solarenergie lässt sich also auch noch nach Sonnenuntergang nutzen. Auf diese Weise könnte das Material künftig kombinierte Anwendungen aus Solarzellen ( Photovoltaik-Module ) und Solarbatterien ermöglichen.
Hochporöse kovalente Bindung
Nach Angaben der Forschenden ist es ihnen erstmals gelungen, Lichtnutzung und Langzeitspeicherung der gewonnenen Energie in einem metallfreien molekularen Material zu vereinen. Bei der leichten Substanz handelt es sich um ein hochporöse „Kovalente Organische Gerüstverbindung“ (Covalent Organic Framework: COF). Als kovalent bezeichnet man eine chemische Bindung, bei der sich Atome ein oder mehrere gemeinsame Elektronenpaare teilen – man spricht auch von bindenden Elektronenpaaren.
Konkret haben die Forschenden aus München und Stuttgart ein COF-Material auf Basis von Naphthalendiimid (NDI) entwickelt. Organische NDI-Moleküle sind bekannt für ihre hohe thermische Stabilität und Robustheit. „Was dieses System auszeichnet, ist seine Einfachheit und Robustheit“, bestätigt TUM-Professor Frank 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.“ Die gespeicherten Ladungen bleiben also nicht nur stabil, sondern lassen sich auch gezielt für die Energieversorgung externer Geräte nutzen.
Die Forschenden entdeckten, dass Wasser eine zentrale Rolle bei der Stabilisierung der gespeicherten Energie spielt. Die im COF gespeicherten Ladungen beeinflussen die Orientierung der umgebenden Wassermoleküle in einer Weise, die zur Bildung einer energetischen Barriere führt. Dadurch wird die Energie für eine spätere Nutzung vorgehalten.
Hohe Speicherkapazität
„Dieses Material hat eine Doppelfunktion: Es wirkt sowohl als Sonnenlicht-Absorber als auch als Langzeit-Ladungsspeicher“, sagt Dr. Bibhuti Bhusan Rath, 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.“
Pro Gramm kann das neuartige Gerüstmaterial 38 Milliamperestunden (mAh) elektrische Ladung speichern. Damit übertrifft es nach TUM-Angaben sowohl vergleichbare Gerüstmaterialien als auch andere molekulare Halbleiter wie Kohlenstoffnitride oder metallorganische Gerüstverbindungen.
Die Wissenschaftler von TUM und Max-Planck-Institut, die auch mit Forschenden um Prof. Joris van Slageren von der Universität Stuttgart zusammenarbeiteten, konnten zudem zeigen, dass sich ihre COF-Verbindung durch eine hervorragende Zyklenstabilität auszeichnet: 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 Prof. Bettina Lotsch. „Das ist ein bedeutender Schritt in Richtung nachhaltiger, materialbasierter Energiespeicherlösungen und autarker Anwendungen.“
Weitere Forschung notwendig
Der innovative Ansatz soll nun am neu gegründeten MPG-TUM-Zentrum für Solarbatterien ( SolBat ) weiter erforscht werden. Ihre bisherigen Erkenntnisse haben die Forschenden in einem englischsprachigen Artikel zusammengefasst, der Ende April im „Journal of the American Chemical Society“ erschienen ist (Link zum Artikel hier ).
Und wann ist mit den ersten marktreifen Produkten zu rechnen, die das COF-Material für eine Kombination aus Solarzelle und Solarbatterie nutzen? Genau kann das im Augenblick niemand sagen, eine Markteinführung steht jedenfalls nicht unmittelbar bevor.
„Unser aktuelles Ergebnis zeigt einen wichtigen Machbarkeitsnachweis auf Materialebene“, erläutert TUM-Professor Frank Ortmann auf BaustoffWissen-Nachfrage. „Bis zu einer industriell einsetzbaren Lösung sind jedoch noch Entwicklungsschritte notwendig – insbesondere in Bezug auf die Langzeitstabilität, die Skalierbarkeit der Herstellung und die Integration in fertige Bauelemente.“
