Schematische Darstellung des Photosuperkondensators in einem Drei-Eletroden-Design während der Ladung und Entladung. Source: Rodrigo Delgado/Taisiia Berestok
Vernetzte, intelligente Geräte und Sensoren – auch als Internet der Dinge bezeichnet – halten zunehmend Einzug in Industrie und Privathaushalte. Mit dem Trend hin zu solchen miniaturisierten Geräten steigt der Bedarf an zuverlässigen, netzunabhängigen Energiequellen, die die Umwelt zudem weniger belasten als herkömmliche Batterien. Diesen Bedarf könnten zum Teil Photosuperkondensatoren decken, die Solarenergie in einem einzigen, kompakten System gewinnen, umwandeln, speichern und bedarfsabhängig abgeben.
Wissenschaftler*innen der Universität Freiburg haben nun einen Photosuperkondensator entwickelt, der aus einer organischen Solarzelle und einem Doppelschichtkondensator mit drei Elektroden besteht. In ihrer Fallstudie stellen sie zudem einen neuen Ansatz vor, um die Effizienz der einzelnen Prozesse, die in einem solchen Photosuperkondensator ablaufen, während der Beleuchtungs- und der Dunkelphase genauer bewerten zu können. Dieser Ansatz berücksichtigt die von der Speichereinheit freigesetzte Energie sowie potenzielle Verluste. Er kann für alle Arten von Energiesystemen angewendet werden, die Solarenergie wandeln und speichern. Seine Ergebnisse hat das Team um Dr. Uli Würfel, Prof. Dr. Anna Fischer, Rodrigo Delgado und Dr. Taisiia Berestok vom Exzellenzcluster livMatS in der Fachzeitschrift Solar RRL veröffentlicht.
Neuartiges Elektrodenmaterial
Der Photosuperkondensator des Forschungsteams kommt mit drei Elektroden aus, da sich Solarzelle und Superkondensator eine Elektrode teilen. Photosuperkondensatoren dieser Bauart sind besonders platzsparend und zeichnen sich durch eine bessere Gesamtenergie und Leistungsdichte aus. Der verwendete Superkondensator basiert zudem auf einem neuartigen Elektrodenmaterial, so genannten stickstoffdotierten Kohlenstoffnanokugeln (MPNC). Sie sind porös und haben eine hohe, spezifische Gesamtoberfläche und damit Kontaktfläche an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode. Hierdurch können die durch Licht erzeugten Ladungsträger besonders gut gespeichert werden.
Präzisere Analyse zeigt Gesamt-Wirkungsgrad von zwei Prozent
Legt man bisherige Berechnungsmethoden zugrunde, beträgt der Wirkungsgrad des Photosuperkondensators 17,4 Prozent. Er ist damit höher ist als bei bisherigen Photosuperkondensatoren. Nach dem neuen Modell, das potenzielle Verluste einbezieht und damit eine präzisere Analyse ermöglicht, beträgt der Gesamt-Wirkungsgrad aus Photokonversion, Speichern und Wiederabgabe 2 Prozent.
Originalpublikation:
Delgado Andrés, R., Berestok, T., Shchyrba, K., Fischer, A. and Würfel, U. (2022), A New Figure of Merit for Solar Charging Systems: Case Study for Monolithically Integrated Photosupercapacitors Composed of a Large-Area Organic Solar Cell and a Carbon Double-Layer Capacitor. Sol. RRL 2200614. DOI: 10.1002/solr.202200614
Kontakt:
Dr. Uli Würfel
Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS)
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Fraunhofer ISE
Tel.: 0761/203-4796
Sonja Seidel
Wissenschaftskommunikation
Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS)
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Email: sonja.seidel@livmats.uni-freiburg.de
Tel.: 0761/203-95361