Weltweit erstes Zentrum für Solarbatterien

Das weltweit erste Zentrum für Solar­batterien und optoionische Techno­logien entsteht in Bayern. Die Technische Universität München (TUM) und die Max-Planck-Gesellschaft haben dafür nun die Weichen gestellt. Mit dem SolBat-Zentrum soll ein einzig­artiges Forschungs­ökosystem aufgebaut werden, um neuartige Energiespeicher zu erforschen und Anwendungen zu entwickeln, um die Solarenergie noch effizienter und flexibler nutzen zu können. Solar­batterien kombinieren Solarzellen und Batterien in einem einzigen Bauteil und können die Energie von Sonnenlicht direkt elektro­chemisch speichern – ohne den Umweg der Umwandlung in Elektrizität.

Mithilfe der Technologie lassen sich beispiels­weise tages­zeitliche und wetterbedingte Schwankungen des Solarstroms ausgleichen und gleichzeitig die Energie­effizienz durch einen verbesserten Ionenkreislauf erhöhen. Die Optoionik – eine Querschnitts­wissenschaft zwischen Optoelektronik und Festkörperionik – lässt enormes Potential für diverse solare und optische Anwendungs­technologien erwarten. Die Leitung des neuen SolBat Zentrum übernehmen Jennifer L.M. Rupp von der TUM, Karsten Reuter vom Fritz-Haber-Institut sowie Bettina V. Lotsch vom Max-Planck-Institut für Festkörper­forschung in Stuttgart. Alle drei sind auch Vorstands­mitglieder des Exzellenz­clusters e-conversion, auf dessen Ergebnissen, Expertennetzwerk und inter­disziplinärer Grundlagen­forschung das neue Zentrum maßgeblich aufbaut. 

„Die Verschmelzung von Solar- und Batterie­technologien wird eine neue Dimension für die Zukunft der nachhaltigen Energieversorgung eröffnen. Das Konzept unseres weltweit einzigartigen Zentrums setzt auf eine enge Verzahnung von Grundlagen­forschung und Technologie­entwicklung. Wir sehen hier die Chance, Energie­systeme deutlich kompakter und effizienter zu gestalten“, sagt Jennifer Rupp. Im Fokus des Zentrums steht die Optoionik. „Die Optoionik ermöglicht uns nicht nur die Verbesserung licht­gesteuerter Prozesse in Energiematerialien, sondern auch die Herstellung neuartiger Energie­systeme an der Schnittstelle zwischen Batterien und Photovoltaik, die als direkte Lichtspeicher fungieren. Die Optoionik ist ein Schlüsselfaktor, um die Effizienz von Solarbatterien und die Funktionalität zukünftiger Energie­systeme erheblich zu steigern“, sagt Bettina Lotsch. Von der Forschung des Zentrums versprechen sich die Beteiligten zudem neue Impulse für die Photokatalyse, Sensorik und Künstliche Intelligenz (KI).

„Mit Hilfe präziser Simulationen können wir die komplexen Wechselwirkungen zwischen Licht und Ionen­bewegungen in den Materialien besser verstehen. Dieses Verständnis wird von Anfang an in KIs einfließen, die zunehmend die Planung der Experimente übernehmen werden, um Materialien und Prozesse gezielt zu optimieren und neue Funktionalitäten zu erschließen“. sagt Karsten Reuter. Der Ansatz des SolBat Zentrums, experimentelle, theoretische und KI-basierte Forschung zu kombinieren und die gesamte Wertschöpfungskette bis hin zur Entwicklung von Bauteilen zu berück­sichtigen, schafft eine einzigartige Innovations­plattform für die nächste Generation von Energie­speichern. 

In einer Solarbatterie sind Solarzelle und Batterie nicht getrennt, sondern in einem einzigen Bauteil integriert. Das ermöglicht die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektro­chemische Energie und ihre Speicherung. Der Prozess beginnt, wenn Photonen auf die licht­absorbierende Schicht treffen und dort Elektronen anregen. Die entscheidende Innovation von Solarbatterien ist, dass das Licht nicht nur die Elektronen anregt, sondern auch die Ionen­bewegungen beeinflusst. So wird die gleichzeitige Absorption von Licht und die Speicherung elektro­chemischer Energie in einem einzigen Bauteil ermöglicht. Zudem können die Ionen, beispiels­weise Lithium- oder Sauerstoff­ionen, sich durch eine optische Stimulanz schneller innerhalb des Festkörpers bewegen, was die (Ent)ladevorgänge der Batterie beschleunigen kann.

Im Entladevorgang läuft der Prozess umgekehrt ab: Die gespeicherte elektro­chemische Energie wird freigesetzt, wobei die Ionen zurückwandern und ein elektrischer Strom erzeugt wird. Die simultane Nutzung von Licht­absorption und Ladungs­speicherung kann Verluste reduzieren, die bei herkömmlichen Systemen durch getrennte Erzeugungs- und Speicher­prozesse auftreten. Zudem eröffnet die Optoionik neue Perspektiven für die Herstellung hochintegrierter und flexibel außerhalb des Stromnetzes einsetzbarer Lichtspeicher.

TUM / JOL