Dieses Material funktioniert wie ein Sonnenspeicher: Es fängt Sonnenlicht ein und liefert auch Stunden nach Sonnenuntergang noch Energie. Die eingefangene Sonnenenergie lässt sich so auch im Dunkeln zur Stromversorgung nutzen. Erstmals ist es dabei gelungen, Lichtnutzung und Langzeitspeicherung der gewonnenen Energie in einem metallfreien molekularen Gerüstmaterial zu vereinen – einem leichten und nachhaltigen System, das die Funktionen einer Solarzelle und einer Batterie kombiniert.
Die Forschenden der Technischen Universität München (TUM), des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart und der Universität Stuttgart haben mit Förderung des Exzellenzclusters e-conversion eine hochporöse, zweidimensionale organische Gerüstverbindung (covalent organic framework, kurz COF) auf Basis von Naphthalendiimid entwickelt. Dieses Gerüstmaterial absorbiert nicht nur Sonnenlicht, sondern stabilisiert auch die dabei entstehenden Ladungen – und ermöglicht so eine Energiespeicherung von über 48 Stunden im wässrigen Medium.
Die gespeicherten Ladungen bleiben nicht nur stabil, sondern lassen sich gezielt für die Energieversorgung externer Geräte nutzen. „Dieses Material hat eine Doppelfunktion: Es wirkt sowohl als Sonnenlicht-Absorber als auch als Langzeit-Ladungsspeicher“, sagt Dr. Bibhuti Bhusan Rath, Erstautor der Studie und Postdoktorand im Team von Prof. Bettina Lotsch, Direktorin am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. „Seine Leistungsfähigkeit übertrifft die vieler existierender optoionischer Materialien – und das ganz ohne Metalle oder seltene Elemente.“
Durch die Kombination moderner optischer und elektrochemischer Methoden sowie computergestützter Simulationen entdeckten die Forschenden, dass Wasser eine zentrale Rolle bei der Stabilisierung der gespeicherten Ladungen spielt. Anstelle einer Wechselwirkung mit externen Ionen beeinflussen die im COF-Rückgrat gespeicherten Ladungen die Orientierung der umgebenden Wassermoleküle in einer Weise, die zur Bildung einer energetischen Barriere führt. Diese verhindert effektiv die Rekombination der lichtinduzierten, gespeicherten Ladungen – und hält die Energie für eine spätere Nutzung vor. Das Material erreicht eine Ladungsspeicherkapazität von 38 mAh/g und übertrifft damit sowohl vergleichbare Gerüstmaterialien als auch andere molekulare Halbleiter wie Kohlenstoffnitride oder metallorganische Gerüstverbindungen.
Einfaches und robustes System
Der theoretische Mechanismus hinter diesem Verhalten wurde gemeinsam mit dem Team von Frank Ortmann, Professor für Theoretical Methods in Spectroscopy an der TUM School of Natural Sciences, dem zweiten korrespondierenden Autor der Studie, aufgeklärt. In umfassenden Simulationen untersuchten sie verschiedene Szenarien zur Ladungsstabilisierung und kooperierten eng mit den experimentell arbeitenden Forschenden, um das Zusammenspiel zwischen COF-Struktur, elektronischen Zuständen und der Wasserumgebung zu verstehen. „Was dieses Systems auszeichnet, ist seine Einfachheit und Robustheit“, so Ortmann. „Es kann lichtinduzierte Ladungen in einem stabilen Zustand speichern – dank des fein abgestimmten Zusammenspiels von Moleküldesign, Gerüststruktur und umgebender Matrix – und sie bei Bedarf wieder freisetzen.“
Das Team, das auch mit Forschenden um Prof. Joris van Slageren von der Universität Stuttgart zusammenarbeitete, zeigte zudem, dass eine hervorragende Zyklenstabilität vorliegt: Nach zehn Ladezyklen blieb über 90 % der Kapazität erhalten – ein starkes Argument für den Einsatz als Solarbatterie. „Diese Arbeit zeigt das Potenzial organischer Gerüstmaterialien, gezielt für fortschrittliche Energieanwendungen angepasst zu werden – allein auf Basis organischer Bausteine und Wasser“, sagt Lotsch, leitende Autorin der Studie. „Das ist ein bedeutender Schritt in Richtung nachhaltiger, materialbasierter Energiespeicherlösungen und autarker Anwendungen.“
Der innovative Ansatz wird am neu gegründeten MPG-TUM-Zentrum für Solarbatterien (SolBat) weiter erforscht.
Publikation
Bibhuti Bhusan Rath, Laura Fuchs, Friedrich Stemmler, Andrés Rodríguez-Camargo, Yang Wang, Maximilian F. X. Dorfner, Johann Olbrich, Joris van Slageren, Frank Ortmann, Bettina V. Lotsch. Insights into Decoupled Solar Energy Conversion and Charge Storage in a 2D Covalent Organic Framework for Solar Battery Function, veröffentlicht im Journal of the American Chemical Society, April 28, 2025, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c17642
Weitere Informationen und Links
Diese Arbeit wurde unterstützt von der Max-Planck-Gesellschaft, der Max-Planck-Förderstiftung (Projekt SolBat), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1333 sowie des Exzellenzclusters e-conversion. Weitere Unterstützung kam von der Alexander von Humboldt-Stiftung sowie durch Rechenressourcen an der TU Dresden und am LRZ Garching.
Kontakte zum Artikel
Dr. Bibhuti Bhusan Rath
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
bb.rath@fkf.mpg.de
Prof. Dr. Frank Ortmann
Technische Universität München
TUM School of Natural Sciences
Professur für Theoretical Methods in Spectroscopy
frank.ortmann@tum.de
Prof. Dr. Bettina V. Lotsch
Max-Planck-Institut & LMU München
b.lotsch@fkf.mpg.de
Technische Universität München
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