Ein Kohlenwasserstoffmolekül als Lieferant und Energiespeicher für Solarenergie

Bisher war die Erzeugung und Speicherung von Strom aus Solarenergie auf verschiedene Geräte angewiesen, was zu Umwandlungsverlusten führte. Das könnte sich bald ändern, denn Chemiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und anderer Forschungsinstitute in Deutschland, Australien, Großbritannien, Italien, Schweden und den USA forschen an einem Kohlenwasserstoffmolekül, das entweder Sonnenlicht umwandeln kann in Strom umwandeln oder die Energie für längere Zeit in chemischer Form speichern.

Dies könnte den Weg für völlig neue organische Solarmodule ebnen. Die Grundlagen für die Umwandlung und Speicherung mithilfe des Moleküls wurden nun gelegt veröffentlicht im Tagebuch Naturchemie.

Die Hoffnungen bleiben groß, dass Solarenergie ein wesentlicher Treiber der Energiewende sein wird. Da Sonnenlicht jedoch eine sehr volatile Energiequelle ist, muss eine Lösung für die effiziente Speicherung von Energie gefunden werden.

„Bisher übertragen wir Strom aus Solarmodulen, der nicht sofort verbraucht wird, in eine Batterie, wo er bei Bedarf genutzt werden kann“, erklärt Prof. Dr. Julien Bachmann, Inhaber des Lehrstuhls für Chemie dünner Filmmaterialien (CTFM) an der FAU. „Durch den wiederholten Wechsel zwischen chemischer und elektrischer Energie gehen bei diesem Batteriespeicherprozess mindestens 30 % der ursprünglich umgewandelten Energie verloren.“

Gemeinsam mit Michael Bosch, Doktorand am Lehrstuhl CTFM, möchte Bachmann einem bekannten Material eine neue Eigenschaft entlocken, die es je nach Bedarf entweder dazu bringt, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln oder die Energie zu speichern. Bei dem Material handelt es sich um Norbornadien, ein Kohlenwasserstoffisomer, das aus zwei Molekülringen besteht. Wird Norbornadien ultraviolettem Licht ausgesetzt, kommt es zu einer teilweisen Neuordnung der Atombindungen, wodurch es sich in das ähnlich strukturierte, aber stärker gespannte Quadricyclan umwandelt.

„Der Umwandlungsprozess ist bereits bekannt, allerdings konzentrierte sich die Forschung bisher auf die Rückgewinnung der gespeicherten Energie in Form von Wärme“, erklärt Bachmann. „Unser neuer Ansatz besteht darin, den Prozess so zu steuern, dass die gespeicherte Energie auch nach Monaten noch als Strom zur Verfügung steht.“

Wissenschaftler verstehen die physikalisch-chemischen Mechanismen hinter den Übergängen zwischen den Isomeren noch nicht vollständig. Forscher aus Australien, Großbritannien, Italien, Schweden und den USA arbeiten gemeinsam mit Kollegen der FAU daran, mithilfe der Photoelektronenspektroskopie den Prozess besser zu verstehen.

Bachmann erklärt: „Je mehr wir über die Dynamik der photo- und elektrochemischen Transformation wissen, desto besser können wir das Design des Moleküls an die gewünschten Funktionen anpassen.“

Ziel zukünftiger Forschung ist es beispielsweise, nicht nur ultraviolette Anregung, sondern auch ein breites Spektrum des Sonnenlichts zur Elektronenanregung zu nutzen. „Es gibt viel Potenzial“, erklärt Bachmann. „Die reine Energiedichte des Norbornadien-Quadricyclan-Systems ist vergleichbar mit einer Lithium-Ionen-Batterie.“

Gelingt es den Forschern, die reversible Norbornadien-Quadricyclan-Umwandlung zuverlässig zu kontrollieren, würde dies nicht nur zu einem effizienten Solarmodul führen, das sich auch zur Speicherung von Strom eignet. Das auf organischen Kohlenwasserstoffen basierende Material wäre außerdem kostengünstig in der Herstellung, würde keine seltenen Metalle erfordern und wäre am Ende seines Lebenszyklus einfach zu entsorgen oder auf umweltfreundliche Weise zu recyceln.