Molekül als Solarstromlieferant und Energiespeicher

„Neu ist, dass wir den Prozess so kontrollieren wollen, dass die gespeicherte Energie nun auch als elektrischer Strom abrufbar ist, und das sogar noch Monate später“

23.04.2024

Bislang erfolgt die Erzeugung und Speicherung elektrischen Stroms aus Sonnenenergie in verschiedenenen Geräten, was mit Wandlungsverlusten verbunden ist. Das könnte sich bald ändern: Chemiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sowie anderer Forschungseinrichtungen in Deutschland, Australien, Großbritannien, Italien, Schweden und den USA untersuchen ein Kohlenwasserstoff-Molekül, das Sonnenlicht wahlweise in elektrischen Strom umwandeln oder die Energie über lange Zeit in chemischer Form speichern kann. Auf dieser Basis könnten völlig neue organische Solarmodule entwickelt werden. Die Grundlagen zur Umwandlung und Speicherung durch das Molekül wurden im Fachjournal „Nature Chemistry“ veröffentlicht.

Sonnenenergie ist und bleibt einer der großen Hoffnungsträger der Energiewende. Weil Sonnenlicht jedoch eine hoch volatile Energiequelle ist, muss die Frage der effizienten Speicherung gelöst werden. „Bislang leiten wir den Strom, den wir nicht unmittelbar verbrauchen, aus dem Solarmodul in eine Batterie, aus der er bei Bedarf entnommen wird“, sagt Prof. Dr. Julien Bachmann, Inhaber des Lehrstuhls für Chemistry of thin film materials (CTFM) an der FAU. „Durch den mehrfachen Wechsel zwischen chemischer und elektrischer Energie gehen bei der Batteriespeicherung mindestens 30 Prozent der ursprünglich umgewandelten Energie verloren.“

Gemeinsam mit Michael Bosch, Promotionsstudent am Lehrstuhl CTFM, will Bachmann einem bekannten Material eine neue Eigenschaft entlocken, nämlich das Sonnenlicht je nach Bedarf entweder in elektrische Energie umzuwandeln oder selbst zu speichern. Dabei handelt es sich um Norbornadien, ein sogenanntes Kohlenwasserstoff-Isomer, das aus zwei Molekülringen besteht. Wird Norbornadien mit ultraviolettem Licht bestrahlt, wandelt es sich durch partielle Neuordung der Atombindungen in das ähnlich aufgebaute, aber energiereichere Quadricyclan um. „Die Umwandlung selbst ist bekannt, bislang konzentrierte die Forschung sich jedoch auf die Rückgewinnung der gespeicherten Energie in Form von Wärme“, erklärt Bachmann. „Neu ist, dass wir den Prozess so kontrollieren wollen, dass die gespeicherte Energie nun auch als elektrischer Strom abrufbar ist, und das sogar noch Monate später.“

Noch sind die physikalisch-chemischen Grundlagen für die Übergänge zwischen den Isomeren nicht vollständig verstanden. Um das zu ändern, beobachteten Forschende aus Australien, Großbritannien, Italien, Schweden und den USA zusammen mit den FAU-Kollegen die Elektronenzustände zeitaufgelöst mit der Photoelektronenspektroskopie. Bachmann: „Je mehr wir über die Dynamik von foto- und elektrochemisch ausgelösten Transformationen wissen, umso besser können wir das Moleküldesign auf die gewünschten Funktionen ausrichten.“ Ziel der künftigen Forschung ist es etwa, nicht nur ultraviolette Strahlung, sondern ein breites Spektrum des Sonnenlichts für die Elektronenanregung zu nutzen. „Das Potenzial ist groß“, erklärt Julien Bachmann. „Die reine Energiedichte des Norbornadien-Quadricyclan-Systems ist mit der einer Lithium-Ionen-Batterie vergleichbar.“

Sollte es gelingen, die reversible Norbornadien-Quadricyclan-Umwandlung zuverlässig zu kontrollieren, stünde nicht nur ein effizientes Solarmodul zu Verfügung, das zugleich Stromspeicher ist. Das organische, auf Kohlenwasserstoffen basierende Material wäre darüber hinaus kostengünstig zu produzieren, käme ohne seltene Metalle aus und ließe sich am Ende des Produktlebens einfach und umweltgerecht entsorgen oder recyceln.

Originalveröffentlichung

Kurtis D. Borne, Joseph C. Cooper, Michael N. R. Ashfold, Julien Bachmann et al.; "Ultrafast electronic relaxation pathways of the molecular photoswitch quadricyclane"; Nature Chemistry, Volume 16, 2024-2-2

https://www.chemie.de/news/1183265/molekuel-als-solarstromlieferant-und-energiespeicher.html