Das neuartige Elektrodenmaterial basiert auf so genannten stickstoffdotierten Kohlenstoffnanokugeln (MPNC), die porös sind und somit eine hohe Gesamtoberfläche aufweisen. Quelle: Taisiia Berestok
Vernetzte, intelligente Geräte und Sensoren – auch als Internet der Dinge bezeichnet – halten zunehmend Einzug in Haushalte und Industrieanlagen. Der Fortschritt hin zu solchen miniaturisierten und automatisierten Geräten erfordert es, zuverlässige Energiesysteme zu entwickeln, die die Umwelt weniger belasten und weniger Kosten verursachen als herkömmliche Batterien. Eine Lösung könnten Photosuperkondensatoren sein, die Solarenergie in einem einzigen, kompakten System gewinnen, umwandeln, speichern und bedarfsabhängig abgeben. Forschende des Exzellenzclusters „Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems“ (livMatS) der Universität Freiburg haben einen solchen Photosuperkondensator mit einer integrierten, leistungsstarken und robusten Silizium-Solarzelle entwickelt. Das Team um Dr. Taisiia Berestok, Prof. Dr. Anna Fischer, Prof. Dr. Stefan Glunz und Christian Diestel hat seine Ergebnisse im Fachjournal Advanced Materials Technologies vorgestellt.
Drei-Elektroden-System sorgt für eine hohe Gesamtenergie
Bisher sind kombinierte Solar- und Speichersysteme in der Regel modular aufgebaut: Eine Solarzelle wird mit einem separaten elektrochemischen Speicher verkabelt – entweder einem Superkondensator oder einer Batterie. Dabei werden insgesamt vier Elektroden verwendet, zwei für die Energiegewinnung und zwei für die Speicherung. Solche Systeme erfordern eine komplexe Verschaltung und benötigen viel Platz, was die Gesamtenergie und Leistungsdichte verringert.
Dagegen kommt der Photosuperkondensator des Freiburger Forschungsteams mit drei Elektroden aus, da sich Solarzelle und Superkondensator eine Elektrode teilen. Sie dient gleichzeitig als Ladungsakzeptor für den Speicherteil. Der verwendete Superkondensator basiert auf einem neuartigen Elektrodenmaterial, so genannten stickstoffdotierten Kohlenstoffnanokugeln (MPNC). „Sie sind porös und haben somit eine hohe, spezifische Gesamtoberfläche und damit Kontaktfläche mit an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode, wo die durch Licht erzeugten Ladungsträger besonders gut gespeichert werden", sagt Taisiia Berestok.
Umweltfreundliche Wasser-basierte Gel-Elektrolyten senken die Kosten
Silizium-Solarzellen zeichnen sich gegenüber anderen Solarzelltypen durch ihre besondere Effizienz und Robustheit aus, wodurch die mit ihnen ausgestattete Bauelementebesonders langlebig sind. „Die Verwendung von Silizium-Solarzellen bietet zudem den Vorteil, dass wir Wasser-basierte Gel-Elektrolyten einsetzen können,“ sagt Berestok. „Sie sind ungiftig, umweltfreundlich und erfordern keine spezielle Verkapselung innerhalb des Systems. Das senkt die Kosten und erleichtert einen möglichen kommerziellen Einsatz.“
Photosuperkondensator hat Gesamtwirkungsgrad von 11,8 Prozent
Die Silizium-Solarzelle ermöglicht eine vergleichsweise schnelle Ladung von 0,6 Volt in weniger als 5 Sekunden – selbst bei schlechten Lichtverhältnissen – und ebnet damit den Weg zu energieautonomen licht-aufladbaren Photosuperkondensatoren. Das System erreicht einen Wirkungsgrad von 11,8 Prozent, was die Wirkung bisheriger Superkondensatoren mit integrierter Silizium-Solarzelle übertrifft. „Wir planen, den Designansatz zu erweitern, um flexible Fotospeicher mit hoher Arbeitsspannung und verbesserter Energie- und Leistungsdichte zu entwickeln“, sagt Berestok.
Über den Exzellenzcluster livMatS
Die Vision des Exzellenzclusters Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) ist, das Beste aus zwei Welten – der Natur und der Technik – zu verbinden. livMatS entwickelt lebensähnliche Materialsysteme, die von der Natur inspiriert sind. Diese Systeme werden sich autonom an Umweltbedingungen anpassen, saubere Energie aus ihrer Umgebung gewinnen und unempfindlich gegen Beschädigungen sein oder diese selbstständig ausgleichen.
Originalpublikation:
Berestok, T., Diestel, C., Ortlieb, N., Glunz, S. W., & Fischer, A. (2022). A Monolithic Silicon‐Mesoporous Carbon Photosupercapacitor with High Overall Photoconversion Efficiency. Advanced Materials Technologies, 2200237. doi: 10.1002/admt.202200237
Kontakt:
Prof. Dr. Anna Fischer
Cluster of Excellence Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS)
University of Freiburg
Email: anna.fischer@ac.uni-freiburg.de
Tel: 0761 203-8717
Dr. Taisiia Berestok
Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS)
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Email: taisiia.berestok@livmats.uni-freiburg.de
Tel.: 0761/203-8717
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