Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner
Überschüssige, aus Solaranlagen gewonnene Energie wird idealerweise möglichst unmittelbar und mit wenigen Verlusten in Batterie-Systemen gespeichert. Eine kontinuierliche Bereitstellung von Strom auch in Dunkelperioden ist dadurch möglich. Typischerweise handelt es sich dabei um getrennte Systeme aus Photovoltaikmodulen und Batteriespeichern, die über eine externe Verkabelung miteinander gekoppelt sind und in ihrer Gesamtheit bisweilen auch als modulare Solar- oder Photobatterien bezeichnet werden. Solche Systeme und ihre Einzelkomponenten sind heute bereits in der Breite verfügbar und leicht hochzuskalieren. Aufgrund ihres Aufbaus weisen sie jedoch vergleichsweise große Umwandlungs- und Leitungsverluste auf, daher wird mittlerweile an integrierten Solarbatterien geforscht. Sie wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um, die dann direkt im gleichen System gespeichert werden kann. Solche Systeme sind beispielsweise für kleinere Geräte interessant, die von einer netzunabhängigen Elektrifizierung profitieren oder eine solche benötigen, wie Geräte im Kontext von Smart Citys und Smart Home, Anwendungen in den Bereichen Internet der Dinge (IoT) und Sensornetzwerken sowie für tragbare Elektronikgeräte. Außerdem könnten sie potenziell auch für eine kurzfristige Notstromversorgung sinnvoll sein.
Innerhalb der Gruppe der integrierten Solarbatterien wird zwischen voll- und teilintegrierten Systemen unterschieden. Bei vollintegrierten Solarbatterien, werden die Lichtabsorption, Ladungstrennung und Energiespeicherung in einem einzigen Material, beziehungsweise einem einzigen Verbundwerkstoff (z. B. einer mehrschichtigen Struktur) realisiert. Die Lichtenergie wird hierbei direkt elektrochemisch gespeichert, ohne nennenswerte zusätzliche Komponenten. Teilintegrierte Solarbatterien bündeln Lichtabsorption und die Energiespeicherung in einer einzigen Elektrode, die sowohl als elektrochemische Elektrode während der Speicherung und Entladung als auch als Photoanode funktioniert, wenn sie beleuchtet wird.
Für integrierte Solarbatterien werden spezielle Elektrodensysteme, Batteriechemien und Elektrolyte benötigt. Materialien, die sich für photoaktive Elektroden eignen sind beispielsweise Perowskite, organische Halbleiter und verschiedene kohlenstoffbasierte Materialien, wie Graphen und Kohlenstoffnanoröhren. Metallhalogenid-Perowskite können besonders gut auf die Absorption spezieller Lichtwellenlängen hin optimiert werden, allerdings ist ihre Stabilität gegenüber Feuchtigkeit und UV-Licht begrenzt. Vorteil von organischen Halbleitern als photoaktive Materialien ist, dass sie mit günstigen Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt und auch bei niedrigen Temperaturen verarbeitet werden können. Graphen und Kohlenstoffnanoröhren besitzen eine große Oberfläche, sehr gute elektrische Leitfähigkeiten und chemische Stabilitäten, was sie als Komponenten sowohl für die elektrochemische Speicherung als auch Ladungssammlung und Lichtabsorption in integrierten Solarbatterien prädestiniert. Die vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten der genannten Materialien und ihre Kompatibilität mit flexiblen Substraten lassen sie zudem für viele der oben angedachten Anwendungsfelder ideal erscheinen.
In Bezug auf die Batteriechemie können in der Regel marktreife Lithium-Ionen-Technologien genutzt werden, aber auch Natrium- und Zink-Ionen-Systeme als kostengünstige, ressourcenschonendere Alternativen sind denkbar. Letztere sind im Hinblick auf Sicherheit und Stabilität besonders vorteilhaft, da sie eine geringere Neigung zur Dendritenbildung aufweisen. Einige Natrium-Ionen-basierte Solarbatterien weisen zudem ein besonders gutes zyklisches Ladeverhalten auf: Diese Batterien können die durch Licht erzeugten elektrischen Ladungen über mehrere Zyklen hinweg speichern und wieder abgeben, ohne dass es zu einer nennenswerten Verschlechterung kommt. Des Weiteren werden mittlerweile auch organische Elektroden auf Polymerbasis sowie Redox-Flow-Systeme als skalierbare, umweltfreundliche Optionen für Solarbatterien diskutiert. Für Redox-Flow-Batteriesysteme auf Chinonbasis konnte gezeigt werden, dass durch die Anpassung der Elektrolytkonzentration eine einstellbare Energieabgabe möglich ist. Während Experimente mit organischen Elektroden zeigten, dass sie sich durch vergleichsweise hohe Zyklenstabilitäten und eine zuverlässige Kapazitätserhaltung über einen längeren Betriebszeitraum auszeichnen. Organische Elektroden und Redox-Flow-Systeme könnten zudem die Sicherheit der Batteriesysteme erhöhen und gleichzeitig die Abhängigkeit von essenziellen Metallen verringern.
Schließlich benötigen Solarbatterien auch ein fortschrittliches Elektrolytdesign. Hierbei kommen sowohl Festkörperelektrolyte, Gel-Polymer-Elektrolyte wie auch klassische Ionenflüssigkeiten in Betracht. Letztere weisen zwar eine hohe Ionenleitfähigkeit auf, sind in Solarbatteriesystemen jedoch aufgrund der Lichteinwirkung eher instabil und neigen zur Leckbildung. Festkörperelektrolyte haben aufgrund ihrer mechanischen Festigkeit und ihrer Eignung für kleine, integrierte Systeme diesbezüglich klare Vorteile. Einen Mittelweg beschreiten Gel-Polymer-Elektrolyte, die sowohl eine gute Ionenleitfähigkeit als auch eine ausreichende Stabilität unter Lichteinwirkung aufweisen. Auch die Verwendung ionischer Flüssigkeiten wurde in diesem Zusammenhang erfolgreich getestet. Hier konnten auch bei höheren Temperaturen mehr als 300 stabile Zyklen mit Testsystemen erreicht werden.
Neben der Weiterentwicklung der einzelnen Komponenten spielt zukünftig das Systemdesign, also die geschickte Kombination der Komponenten, eine große Rolle. Besonders kritische Aspekte bei integrierten Solarbatterien sind dabei das Grenzflächendesign und die Minimierung von Defektentwicklungen an den Elektroden für alle Ladungsträger, die an den unterschiedlichen und teilweise zeitgleichen Prozessen der Lichtabsorption und Energiespeicherung im Verbundmaterial beteiligt sind. Daher spielt in der Forschung derzeit auch die Stabilität der Grenzflächen insbesondere zwischen Elektroden und Festkörperelektrolyten eine große Rolle, um sowohl die Lebensdauer als auch die Sicherheit der Solarbatterien zu erhöhen. Künstliche Intelligenz und insbesondere maschinelles Lernen unterstützen die weitere Entwicklung sowohl im Bereich der Materialentwicklung als auch auf der Design-Ebene, z. B. zur Optimierung von Grenzflächen. Ein weiteres Ziel ist es, die Zyklenstabilitäten weiter zu verbessern.
Insgesamt ist im Bereich integrierter Solarbatterien noch sehr viel Forschungsarbeit zu leisten, was in diesem noch recht jungen technologischen Entwicklungsstadium jedoch typisch ist. Herausforderungen bestehen beispielsweise in den noch zu geringen Lebensdauern und in Bezug auf Nachhaltigkeitsaspekte. So wird bereits jetzt an alternativen Materialien, wie z. B. bleifreien Perowskiten, geforscht und Systeme entwickelt, die leicht zu demontieren sind. Integrierte Solarbatterien besitzen das Potenzial sich zukünftig von experimentellen Prototypen zu wichtigen Technologien in der Energieversorgung zu entwickeln. Welches Design-Konzept im Bereich der integrierten Solarbatterien sich zukünftig durchsetzen wird, kann derzeit noch nicht abgeschätzt werden. Entscheidend werden hier insbesondere Erfolge in der Verbundwerkstoffentwicklung für die multifunktionalen Elektroden sein.
