Solarbatterie – Solarzelle und Batterie in einem Gerät

Luftdurchlässiges Gewebe der Solarbatterie
Luftdurchlässiges Gewebe der Solarbatterie. Man sieht die einzelnen Titanoxid-Stäbchen (Quelle: Ohio State University)

Forscher an der Ohio State University ist es gelungen, eine Solarzelle und eine Batterie in einem hybriden Gerät zu vereinen. Der Schlüssel zum Erfolg der Solarbatterie war die Entwicklung einer luftdurchlässigen Oberfläche der Solarpanels. Damit könnten Anlagen effizienter und die Erzeugung elektrischer Energie wesentlich kostengünstiger werden.

Mehr Effizienz durch die hybride Technologie

Der Stand der Technik ist es, dass man Solarpanel verwendet, um aus Licht elektrische Energie zu erzeugen. Anschließend kann diese in möglichst billigen Batterien gespeichert werden. Wann immer dies geschieht, entsteht ein Verlust an jener elektrischen Energie. Üblicherweise kommen nur etwa 80% der Elektronen in der Batterie an, wenn sie von den Solarzellen dorthin transportiert werden.

Bei der neu entwickelten Technik der Solarbatterie können nahezu 100% der Elektronen im hybriden System gespeichert werden. Ein wesentlicher Beitrag zur Energieeffizienz.

Die hybride Solarzelle beruht aus einer zuvor von Yiying Wu und Yioaodi Ren entwickelten Batterie – der KAir Batterie. Dies ist eine hocheffiziente luftbetriebene Batterie, die über eine chemische Reaktion Sauerstoff abgibt bzw. aufnimmt. Sie atmet sozusagen. Wird sie entladen, nimmt sie Sauerstoff aus der umgebenden Luft auf. Wird sie geladen, so gibt sie Sauerstoff ab.

Die Batterie basiert auf Kalium, kann sehr kostengünstig hergestellt werden und besitzt einen Wirkungsgrad von 98%. Zudem ist sie sehr umweltfreundlich, da keine toxischen Stoffe entstehen, die nur sehr aufwendig zu recyceln sind.

Die Entwicklung wurde vom US-Energieministerium mit einem Preis von $100.000 für saubere Energie ausgezeichnet.

Um die KAir Batterie nutzen zu können, können keine herkömmlichen Solarzellen verwendet werden, da diese nicht luftdurchlässig sind. Die Lösung war eine Solarzelle aus einem dünnen Gewebe, welches Luft hindurch lässt.

Gewebesolarzelle als Schlüssel für die Solarbatterie

Auf dem Titangewebe der Solarzelle sind unzählig viele feinste Stäbe aus Titanoxid aufgebracht. Mit ihnen ist es möglich, die Photonen des Sonnenlichts zu absorbieren.

Bei der Verbindung von Solarzellen und Batterien sind normalerweise vier Elektroden erforderlich. Die hybride Solarbatterie verwendet jedoch nur drei. Das Solarpanel aus dem Titangewebe bildet die erste Elektrode. Darunter befindet sich eine dünne Folie aus porösem Kohlenstoff – die zweite Elektrode. Wiederum darunter ist die dritte Elektrode, eine Lithium-Platte. Jeweils dazwischen befindet sich ein Elektrolyt, welches für den Transport zuständig ist.

So funktioniert die hybride Solarbatterie:

  1. Licht trifft auf das Solarpanel, wodurch Elektronen erzeugt werden
  2. In der Batterie sind die Elektronen an der chemischen Zersetzung von Lithiumperoxid zu Lithiumionen und Sauerstoff beteiligt
  3. Sauerstoff wird durch das Gewebe freigegeben und Lithiumionen werden in der Batterie gespeichtert
  4. Beim Entladen nimmt die Batterie wieder Sauerstoff über das Gewebe auf, wodurch wieder Lithiumperoxid entsteht

Um die Elektronen transportieren zu können, wird dem Elektrolyt zwischen den Elektroden ein Jodid Additiv hinzugegeben. Hierdurch kann die entsprechend hohe Leistung sowie Effizienz der Batterie erreicht werden.

Die Gewebesolarzelle gehört zu den farbempfindlichen Solarzellen. D.h., sie können nur Licht einer bestimmten Wellenlänge in elektrische Energie umwandeln. Um den passenden Bereich erfassen zu können, wird ein dunkelroter Halbleiter als Farbstoff verwendet – Hämatit. Mit diesem wird das Gewebe der Solarzellen beschichtet.

Die Lebensdauer der Solarbatterie soll laut dem Forscherteam vergleichbar mit Akkus sein, die bereits auf dem Markt sind.

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