Chemiker „verschmelzen“ Solarzellen und Batterien für langlebige, effiziente Energiespeicher

Die zunehmende Elektrifizierung fordert Stromnetze und Ingenieure. Im Vergleich zu konventionellen Stromnetzen, die auf großen Kraftwerken basieren, bieten Inselnetze und dezentrale Versorgungsnetze beispielsweise mit Solarzellen Vorteile bezüglich Investitionskosten, Platzbedarf und Bauzeit.

Forscher der Universität von Sydney und der Universität von New South Wales (Australien) haben in Zusammenarbeit mit Chemikern der Universität von Wisconsin-Madison in den Vereinigten Staaten eine hocheffiziente und langlebige Solarstrombatterie entwickelt. Die Entwicklung vereint die Nutzung erneuerbarer Energie der Sonne und die Speicherung in einem.

Das neue Gerät nutzt Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen und speziell entwickelte chemische Batteriekomponenten. Die Solarstrombatterie erreichte bislang einen neuen Rekord-Wirkungsgrad von 20 Prozent Umwandlung von Sonnenenergie. Das entspricht einer Steigerung um 40 Prozent bezüglich bisheriger Solarstrombatterien.

Das Team um Doktorandin Wenjie Li von der University of Wisconsin veröffentlichte ihre Forschungen Mitte Juli in der Zeitschrift „Nature Materials“.

Stromerzeugung und -Speicherung in Solarzellen vereinen

Obwohl Solarstrombatterien noch Jahre von der Kommerzialisierung entfernt sind, bieten sie das Potenzial, eine zuverlässige Stromerzeugung und -speicherung für Beleuchtung, Mobiltelefone oder andere grundlegende Anwendungen für Haushalte in abgelegenen Gebieten zu ermöglichen. Da die Sonne nicht immer scheint, ist die Speicherung der Schlüssel für praktischen Solarstrom. Dies gilt umso mehr in abgelegenen und ländlichen Regionen mit viel Sonnenlicht, wie im sogenannten Sonnengürtel der USA, Australiens, Saudi-Arabiens und Afrikas.

Viele solare Speichersysteme verwenden Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Batterien zur Stromspeicherung. Flussbatterien verdanken ihren Namen flüssigen Chemikalien, die miteinander reagieren und so Energie speichern oder freisetzen. Aufgrund der Bauweise sind diese Batterien sehr gut skalierbar und bieten ab einer gewissen Größe Kostenvorteile.

Bereits 2018 entwickelten die Forscher eine Solarstrombatterie mit effizienten, aber teuren Solarmaterialien. Diese erreichte einen Gesamtwirkungsgrad von 14 Prozent. Korrosion verkürzte die Lebensdauer des Geräts jedoch stark. Auch in der neuen Solarbatterie spielt Silizium eine große Rolle, da es den Chemikalien in einer Flussbatterie widerstehen kann.

„Unsere Motivation für das Design der Solarzelle war es, diese beiden Materialien miteinander zu kombinieren, sodass wir sowohl einen hohen Wirkungsgrad als auch eine gute Stabilität haben“, sagte Li. Zusätzlich versahen die Forscher die Siliziumoberfläche mit einer Schutzschicht für mehr Haltbarkeit.

Haltbarkeit um Faktor Hundert besser

„Diese Technologie könnte die Elektrifizierung an entlegenen Orten beschleunigen“, sagt Liu, Assistenzprofessor im Fachbereich Chemie und Biochemie der ebenfalls beteiligten Utah State University (USU). Das Design, sagt er weiter, integriert photoelektrochemische Solarzellen mit wässrigen organischen Redox-Flow-Batterien (AORFBs).

Die Abstimmung der Chemikalien auf die Zellspannung der Solarzelle ermöglichte zudem die Optimierung des Wirkungsgrades. Die verwendeten Chemikalien sind im Gegensatz zu klassischen Flussbatterien keine teuren Metalle, sondern organische Verbindungen und werden in einer gutartigen Wasserlösung aus Kochsalz statt in starken Säuren gelöst.

Alles zusammen führte zu einer erstaunlichen Zyklenfestigkeit und Langlebigkeit bei nahezu unverminderter Kapazität und überstieg die Werte früherer Batterien um das Hundertfache. Insgesamt war das neue System mit seiner langen Lebensdauer und einem Wirkungsgrad von 20 Prozent das bisher beste Solarstrom-Batteriegerät.

„Das sind 20 Prozent Effizienz, wann immer Sie wollen“, so die Forscher. „Sie können den Solarstrom tagsüber sofort nutzen und 20 Prozent erhalten, oder Sie können ihn abends aus dem Speicher nutzen und 20 Prozent erhalten.“

Kombination löst gleich „zwei wachsende globale Probleme“

Die größte Herausforderung liegt nun in der Vergrößerung der Laborgeräte auf praktische Größen. Und obwohl die Forscher eine nach eigenen Angaben „relativ langlebige Batterie“ entwickelt haben, erfordern reale Anwendungen noch größere Robustheit. Gleichzeitig experimentieren die Forscher, um die Kosten der Geräte zu senken.

„Wenn wir dies praktisch umsetzen können, ist unser letztendliches Ziel, solare Heimsysteme ins Visier zu nehmen“, sagte Li. „Menschen, die keinen Zugang zum Stromnetz haben, könnten dieses Gerät nutzen, um zuverlässig mit Strom versorgt zu werden.“

Forscher der USU arbeiten darüber hinaus an einer Kombination von  AORFBs und solarer Wasserentsalzung. „Die Kombination von Wasserentsalzung und Energiespeicherung in einem Gerät bietet die Möglichkeit, mit einer einzigen Hardware-Installation nicht nur ein, sondern zwei wachsende globale Probleme anzugehen“, sagt Liu.

(Mit Material der Universitäten Wisconsin-Madison, New South Wales und Sydney sowie der Utah State University)