Et kulbrintemolekyle som leverandør og energilagringsløsning til solenergi

Indtil nu har produktion og lagring af elektricitet fra solenergi været afhængig af forskellige enheder, hvilket har ført til konverteringstab. Det kan snart ændre sig, da kemikere ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) og andre forskningsinstitutter i Tyskland, Australien, Storbritannien, Italien, Sverige og USA forsker i et kulbrintemolekyle, der enten kan omdanne sollys til elektricitet eller spare energien i lang tid i kemisk form.

Dette kan bane vejen for helt nye organiske solcellemoduler. Grundlæggende for konvertering og opbevaring ved hjælp af molekylet er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Nature Chemistry .

Forhåbningerne er fortsat høje om, at solenergi vil være en væsentlig drivkraft for energiomdannelsen. Men da sollys er en meget flygtig energikilde, skal der findes en løsning til at lagre energi effektivt.

"Indtil nu har vi overført elektricitet fra solcellemoduler, som ikke forbruges med det samme, til et batteri, hvor det kan bruges efter behov," forklarer prof. Dr. Julien Bachmann, formand for kemi for tyndfilmsmaterialer (CTFM) på FAU. "Ved gentagne gange at skifte mellem kemisk og elektrisk energi går mindst 30 % af den oprindelige konverterede energi tabt under denne batterilagringsproces."

Sammen med Michael Bosch, en ph.d.-kandidat ved Chair CTFM, håber Bachmann at lokke en ny ejendom fra et kendt materiale, så det enten konverterer sollys til elektrisk energi eller lagrer energien, afhængigt af kravene. Det pågældende materiale er norbornadien, en carbonhydridisomer bestående af to molekyleringe. Hvis norbornadien udsættes for ultraviolet lys, fører en delvis reorganisering af atombindingerne til, at det omdannes til den tilsvarende strukturerede, men mere stærkt belastede quadricyclan.

"Omdannelsesprocessen er allerede kendt, men forskningen har indtil nu fokuseret på at genvinde den lagrede energi i form af varme," forklarer Bachmann. "Vores nye tilgang involverer styring af processen, så den lagrede energi også kan gøres tilgængelig som elektricitet, selv efter måneder er gået."

Forskere forstår stadig ikke fuldt ud de fysisk-kemiske mekanismer bag overgangene mellem isomererne. Forskere fra Australien, Storbritannien, Italien, Sverige og USA arbejder sammen med kolleger fra FAU for at få en bedre forståelse af processen ved at bruge fotoelektronspektroskopi.

Bachmann udtaler:"Jo mere vi ved om dynamikken i foto- og elektrokemisk transformation, jo bedre kan vi modificere designet af molekylet, så det passer til de ønskede funktioner."

Målet med fremtidig forskning er for eksempel ikke kun at bruge ultraviolet excitation, men også et bredt spektrum af sollys til elektronexcitation. "Der er et stort potentiale," forklarer Bachmann. "Den rene energitæthed af norbornadien-quadricyclan-systemet kan sammenlignes med et lithium-ion-batteri."

Hvis det lykkes for forskere at kontrollere den reversible norbornadien-quadricyclan-konvertering pålideligt, ville det ikke kun føre til et effektivt solcellemodul, der også er velegnet til at lagre elektricitet. Det organiske kulbrintebaserede materiale ville også være omkostningseffektivt at fremstille, ville ikke kræve sjældne metaller og ville være nemt at bortskaffe eller genbruge på en miljøvenlig måde ved slutningen af ​​dets livscyklus.

Flere oplysninger: Kurtis D. Borne et al., Ultrahurtige elektroniske afslapningsveje for den molekylære fotoswitch quadricyclane, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-023-01420-w

Journaloplysninger: Naturkemi

Leveret af Friedrich–Alexander University Erlangen–Nurnberg