Volledig organische zonnebatterij slaat zonlicht 48 uur op met alleen water en organische moleculen

Onderzoekers in Duitsland hebben een een volledig organische "zonnebatterij" die zonlicht opvangt, energie meer dan twee dagen opslaat en weer afgeeft als elektriciteit. Het maakt gebruik van een poreus, tweedimensionaal covalent organisch raamwerk (COF) van naftaleendiimide dat fotovoltaïsche en elektrochemische functies combineert in één licht materiaal. Dit metaalvrije ontwerp biedt een duurzamere optie voor off-grid stroomvoorziening.

De COF fungeert zowel als lichtabsorber en als ladingsreservoir. Wanneer het verlicht wordt, genereert het elektron-gatparen en vangt het de resulterende ladingen op in zijn geordende poriën. In waterige omstandigheden blijven deze ladingen minstens 48 uur stabiel - een ongekende retentietijd voor deze klasse materialen - en kunnen ze op verzoek worden ontladen om een externe lading te voeden. Het team heeft een specifieke capaciteit van 38 milliampère-uur per gram gemeten, waarmee vergelijkbare koolstofnitriden, polymeerhalfgeleiders en metaal-organische frames worden overtroffen.

Watermoleculen helpen de opgeslagen energie te behouden. In plaats van ladingen te onderdrukken, herschikt water zich rond de COF-structuur en vormt het een energiebarrière die recombinatie voorkomt. Studies bevestigen dat deze interactie gevangen elektronen stabiliseert zonder dat er ionen of metaalcentra nodig zijn.

Simulaties onder leiding van spectroscopisten aan de Technische Universiteit van München onderzochten verschillende ladingsstabilisatiescenario's en toonden aan hoe moleculair ontwerp, raamwerkarchitectuur en het omringende medium samenwerken om ladingen op hun plaats te houden. De eenvoud van het mechanisme - organische bouwstenen plus water - helpt de robuustheid van het materiaal tijdens cycli te verklaren.

Praktische tests onderstreepten die robuustheid: het apparaat behield meer dan 90 procent van zijn capaciteit na herhaalde laad-ontlaadcycli. Door deze prestaties is het COF-platform een veelbelovende kandidaat voor geïntegreerde opslag van zonne-energie, vooral wanneer gewicht, duurzaamheid en materiaalschaarste van cruciaal belang zijn. Verder werk zal zich richten op het opschalen van de synthese van het raamwerk, het verbeteren van de ladingsdichtheid en het integreren van het materiaal in complete fotovoltaïsche systemen.