Weltweit erstes Zentrum für Solarbatterien

Mit dem SolBat-Zentrum soll ein einzigartiges Forschungsökosystem aufgebaut werden, um neuartige Energiespeicher zu erforschen und Anwendungen zu entwickeln. Im Mittelpunkt stehen Solarbatterien, die noch weitgehend unerforscht sind. Sie 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, die sich mit der Kontrolle von Ionen durch Licht beschäftigt – lässt enormes Potential für diverse solare und optische Anwendungstechnologien erwarten.

Die Leitung des neuen SolBat Zentrum übernehmen Prof. Jennifer L.M. Rupp, Inhaberin des Lehrstuhls für Festkörperelektrochemie an der TUM sowie Fellow am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Prof. Karsten Reuter, Direktor am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft und Distinguished Affiliated Professor an der TUM, sowie Prof. Bettina V. Lotsch, Direktorin am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und Honorarprofessorin an den Universitäten München (LMU) und Stuttgart. Alle drei sind auch Vorstandsmitglieder des Exzellenzclusters e-conversion, auf dessen Ergebnissen, Expertennetzwerk und interdisziplinärer Grundlagenforschung das neue Zentrum maßgeblich aufbaut.

Optoionik: Ein neuer Forschungszweig mit weitreichendem Potenzial

Im Fokus des Zentrums steht die Optoionik, eine zukunftsweisende Disziplin, die Festkörperionik und Licht miteinander verbindet. Bettina Lotsch erläutert: „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.“ Von der Forschung des Zentrums versprechen sich die Beteiligten zudem neue Impulse für die Photokatalyse, Sensorik und Künstliche Intelligenz (KI).

Karsten Reuter hebt die Bedeutung der theoretischen Modellierung für die Entwicklung von Solarbatterien hervor: „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.“ 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.

Wie eine Solarbatterie funktioniert

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 (Lichtteilchen) 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.