Optoionische Solarbatterien kombinieren Solarzellen und Batterien in einem einzigen Bauteil. Sie können die Energie von Sonnenlicht direkt elektrochemisch speichern, ohne den Umweg der Umwandlung in Elektrizität. Allerdings gibt es bei dieser Technologie noch sehr viel Forschungsbedarf. Daher haben die Technische Universität München (TUM) und die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) nun ein Forschungszentrum für solche Solarbatterien gegründet.
Das Zentrum namens SolBat – nach Angaben der Projektpartner die erste Einrichtung ihrer Art weltweit – ist auf dem Gelände der TUM in Garching bei München angesiedelt. Das bayerische Wirtschaftsministerium fördert das Vorhaben.
Im Fokus des Zentrums steht die Optoionik – eine Querschnittswissenschaft zwischen Optoelektronik und Festkörperionik, die sich mit der Kontrolle von Ionen durch Licht beschäftigt. „Die Optoionik ermöglicht uns nicht nur die Verbesserung lichtgesteuerter Prozesse in Energiematerialien, sondern auch die Herstellung neuartiger Energiesysteme an der Schnittstelle zwischen Batterien und Photovoltaik, die als direkte ‚Lichtspeicher‘ fungieren“, erläutert Bettina V. Lotsch, Direktorin am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und Honorarprofessorin an den Universitäten München (LMU) und Stuttgart.
Lotsch sieht in der Optoionik einen Schlüsselfaktor, um die Effizienz von Solarbatterien und die Funktionalität zukünftiger Energiesysteme erheblich zu steigern. Von der Forschung des Zentrums versprechen sich die Beteiligten zudem neue Impulse für die Photokatalyse, Sensorik und Künstliche Intelligenz.
So funktionieren optoionische Solarbatterien
Die Integration von Solarzelle und Batterie ermöglicht die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrochemische Energie samt ihrer Speicherung. Der Prozess beginnt, wenn Photonen – also Lichtteilchen – auf die lichtabsorbierende Schicht treffen und dort Elektronen anregen. Die entscheidende Innovation von Solarbatterien ist den SolBat-Forschern zufolge, dass das Licht nicht nur die Elektronen anregt, sondern auch die Ionenbewegungen beeinflusst. So wird die gleichzeitige Absorption von Licht und die Speicherung elektrochemischer Energie in einem einzigen Bauteil ermöglicht. Zudem können die Ionen, beispielsweise Lithium- oder Sauerstoffionen, sich durch eine optische Stimulanz schneller innerhalb des Festkörpers bewegen, was die Lade- und Entladevorgänge der Batterie beschleunigen kann.
Im Entladevorgang läuft der Prozess umgekehrt ab: Die gespeicherte elektrochemische Energie wird freigesetzt, wobei die Ionen zurückwandern und ein elektrischer Strom erzeugt wird. Die simultane Nutzung von Lichtabsorption und Ladungsspeicherung kann Verluste reduzieren, die bei herkömmlichen Systemen durch getrennte Erzeugungs- und Speicherprozesse auftreten. Zudem eröffnet die Optoionik neue Perspektiven für die Herstellung hochintegrierter und flexibel außerhalb des Stromnetzes einsetzbarer Lichtspeicher.
Die Leitung des SolBat-Zentrums übernehmen Jennifer L.M. Rupp, Inhaberin des Lehrstuhls für Festkörperelektrochemie an der TUM sowie Fellow am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Karsten Reuter, Direktor am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft und Distinguished Affiliated Professor an der TUM, sowie Bettina V. Lotsch, Direktorin am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart. Alle drei sind auch Vorstandsmitglieder des Exzellenzclusters e-conversion, auf dessen Ergebnissen, Expertennetzwerk und interdisziplinärer Grundlagenforschung das neue Zentrum maßgeblich aufbaut.
„Die Verschmelzung von Solar- und Batterietechnologien wird eine neue Dimension für die Zukunft der nachhaltigen Energieversorgung eröffnen“, ist Jennifer L.M. Rupp überzeugt. „Das Konzept unseres weltweit einzigartigen Zentrums setzt auf eine enge Verzahnung von Grundlagenforschung und Technologieentwicklung. Wir sehen hier die Chance, Energiesysteme deutlich kompakter und effizienter zu gestalten.“
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