Photobatterie mit hoher Spannung

Vernetzte intelligente Geräte und Sensoren können die Energie­effizienz von Konsum­gütern und Gebäuden verbessern, indem sie deren Verbrauch in Echtzeit überwachen. Solche kleinen Geräte sind auf möglichst kompakt gestaltete Energiequellen angewiesen, um autonom zu funktionieren. Hierfür könnten mono­lithisch integrierte Batterien zum Einsatz kommen, welche Energie in einem einzelnen System gleichzeitig gewinnen, wandeln und speichern. Ein Team der Universität Freiburg hat eine monolithisch integrierte Photo­batterie entwickelt, die aus einer organischen Polymer­batterie und einer organischen Mehrfach­solarzelle besteht. Die von Rodrigo Delgado Andrés und Uli Würfel, Universität Freiburg, sowie Robin Weßling und Birgit Esser, Universität Ulm, vorgestellte Batterie ist die erste monolithisch integrierte Photo­batterie aus organischen Materialien, die eine Entladespannung von 3,6 Volt erreicht. Damit gehört sie zu den ersten Systemen dieser Art, die Kleinst­geräte betreiben können.

Die Forschenden haben für die Photobatterie ein skalierbares Verfahren entwickelt, mit dem sie organische Solarzellen aus fünf aktiven Schichten herstellen können. „Mit dieser Solarzelle erreicht das System vergleichsweise hohe Spannungen von bis zu 4,2 Volt“, erläutert Weßling. Diese Mehrfach­solarzelle hat das Team mit einer Dual-Ion-Battery kombiniert, die im Gegensatz zu Kathoden konventioneller Lithium-Batterien in der Lage ist, mit hohen Strömen geladen zu werden. 

Bei sorgfältiger Kontrolle der Beleuchtungs­intensität und Entladungs­raten, kann die so aufgebaute Photobatterie eine Schnellladung in weniger als fünfzehn Minuten bei Entlade­kapazitäten von bis zu 22 Milliampere­stunden pro Gramm erreichen. In Verbindung mit dem durch­schnittlichen Entladepotenzial von 3,6 Volt kann das Gerät eine Energiedichte von 69 Milliwatt­stunden pro Gramm und eine Leistungsdichte von 95 Milliwatt pro Gramm liefern. „Damit legt das entwickelte System den Grundstein für die tiefergehende Forschung und weitere Entwicklungen im Bereich organischer Photobatterien“, sagt Weßling.

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.

U. Freiburg / JOL