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Nachhaltige Technologien und Sensoren zuverlässig mit Energie versorgen

Freiburger Forschende entwickeln Superkondensator mit integrierter Solarzelle

Dec 02, 2021

Der Photosuperkondensator kann Solarenergie in einem einzigen kompakten System gewinnen, umwandeln, speichern und bedarfsabhängig abgeben. Quelle: Fischer Lab

Smart Homes, autonome Fahrzeuge, virtuelle Assistenzsysteme: Vernetzte, intelligente Geräte und Sensoren – auch als Internet der Dinge bezeichnet – halten zunehmend Einzug in Privathaushalte und Produktionsanlagen. Dies erfordert die Entwicklung zuverlässiger Energiesysteme, die die Umwelt weniger belasten und weniger Kosten verursachen als etwa herkömmliche Batterien. Eine Lösung könnten Photosuperkondensatoren sein, die Solarenergie in einem einzigen, kompakten System gewinnen, umwandeln, speichern und bedarfsabhängig abgeben. Forschenden des Exzellenzclusters „Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems“ (livMatS) der Universität Freiburg ist es nun gelungen, einen solchen Photosuperkondensator mit einer integrierten Perowskit-Solarzelle zu entwickeln. Das Team um Dr. Taisiia Berestok, Prof. Dr. Anna Fischer, Christian Diestel und Prof. Dr. Stefan Glunz veröffentlichte seine Ergebnisse im Fachjournal Solar RRL.

System mit drei Elektroden

Bisher sind kombinierte Solar- und Speichersysteme in der Regel modular aufgebaut: Eine Solarzelle wird mit einem separaten elektrochemischen Speicher, entweder einem Superkondensator oder einer Batterie, verkabelt. 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.

Querschnitt der Elektrode des Superkondensators. Quelle: Fischer Lab

Dagegen kommt der integrierte Photosuperkondensator des Freiburger Forschungsteams mit drei Elektroden aus, da er über eine geteilte Graphit-Folienelektrode zwischen dem Superkondensator und der Solarzelle verfügt. Der verwendete Gel-Elektrolyt-Superkondensator basiert auf einem neuartigen Elektrodenmaterial, so genannten stickstoffdotierten Kohlenstoffnanokugeln (MPCN), die porös sind und somit eine hohe Gesamtoberfläche aufweisen, an der die lichtgenerierten Ladungsträger besonders gut gespeichert werden. „Die MPNC-Nanokugeln sind auf allen Längenskalen optimal für die Ladungsspeicherungsprozesse ausgelegt und lassen sich einfach und reproduzierbar zu Elektroden prozessieren“, sagt Prof. Dr. Anna Fischer.

Photosuperkondensator hat Gesamtwirkungsgrad von 11,5 Prozent

So kann der neuartige Gel-Elektrolyt-Superkondensator Leistungsdichten von bis zu 14.8 kW/kg (11 mW/cm²) bei Energiedichten von bis zu 13.8 Wh/kg (10.4 µWh/cm²) erreichen und die integrierten Photosuperkondensatoren Leistungsdichten von bis zu 2.2 mW/cm² bei Energiedichten von bis zu 4.27 µWh/cm². Dank der Perowskit-Solarzelle ist eine vergleichsweise schnelle Ladung von unter fünf Sekunden bis zu einem Volt möglich – eine Spannung, die eine Silizium-Solarzelle nicht erreichen würde. „Durch die hohe Effizienz des MPNC-Superkondensators und der Perowskit-Solarzelle erreicht der integrierte Photosuperkondensator einen bis dato unerreichten Gesamtwirkungsgrad von 11,5 Prozent“, sagt Prof. Dr. Stefan Glunz.


Original publication:

Berestok, T., Diestel, C., Ortlieb, N., Büttner, J., Matthews, J., Schulze, P. S., Goldschmidt, J., Glunz, S. W., & Fischer, A. (2021). High‐Efficiency Monolithic Photosupercapacitor – A Smart Integration of a Perovskite Solar Cell with a Mesoporous Carbon Double‐Layer Capacitor. DOI: https://doi.org/10.1002/solr.202100662


Kontakt:

Prof. Dr. Anna Fischer
Institut für Anorganische und Analytische Chemie und
Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS)
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Email: anna.fischer@ac.uni-freiburg.de
Tel.: 0761/203-8717

Prof. Dr. Stefan Glunz
Institut für Nachhaltige Technische Systeme (INATECH) und
Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS)
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)
Email: stefan.glunz@ise.fraunhofer.de
Tel.: 0761/4588-5191

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