Forscher entwickeln organische Mehrfachsolarzelle plus Dual-Ionen-Batterie für Anwendungen im Internet der Dinge

von pv magazine International

Forscher der Universität Freiburg haben eine monolithisch integrierte Photobatterie entwickelt, die angeblich ausreichend hohe Spannungen für Anwendungen im Internet der Dinge (IoT) erreichen kann. Das System kombiniert eine organische Mehrfachsolarzelle mit einer organischen Zwei-Ionen-Batterie. „Miniaturgeräte wie diese, die im Rahmen des Konzepts des Internets der Dinge entwickelt werden, benötigen Energiequellen, die so kompakt wie möglich sind, um autonom zu funktionieren“, erklärten die Wissenschaftler und fügten hinzu, dass IoT-Umgebungen strenge inhärente Beschränkungen für die Größe haben.

Die Batterie besteht aus einem kathodenaktiven Material auf der Basis eines konjugierten Phenothiazin-Redoxpolymers und einem Anodenmaterial auf der Basis von Lithiummetall. Die Zellspannung beträgt 3,7 Volt, ein Wert, der voraussetzt, dass die im System verwendete Solarzelle eine ausreichende Spannung aufweist, um die Batterie ohne zusätzliche externe Spannung oder Strom aufladen zu können.

Die organische Solarzelle mit einer Fläche von einem Quadratzentimeter besteht aus fünf aktiven Schichten mit invertierter Architektur. Jede der fünf Zelleinheiten besteht aus einem Substrat aus Glas und Indium-Zinn-Oxid, einer Elektronentransportschicht aus Zinkoxid, einem organischen Absorber aus zwei Polymeren (PM6 und PC60BM), einer Lochtransportschicht auf der Basis von PEDOT:PSS und einem Silbermetallkontakt.

„Die sich wiederholende Einheit wurde mehrfach beschichtet, mit den gleichen Parametern wie bei den Zellen mit einem Übergang“, so die Forscher. Sie fügten hinzu, dass sie Aluminiumband verwendeten, um die beiden Elektroden der Solarzelle mit den Elektroden des Batteriehalters zu verbinden, sowie einen Isolatorfilm, um Überbrückungen zu vermeiden.

Bei den Tests unter den Beleuchtungsbedingungen einer Sonne erreichte die Solarzelle eine Leerlaufspannung von 4,2 Volt, was nach Angaben der Gruppe einer der höchsten Werte ist, die jemals für Solarzellen im Lösungsprozess erreicht wurden. Dank dieses hohen Spannungsniveaus und einer sorgfältigen Kontrolle der Beleuchtungsintensität und der Entladungsraten konnte die photovoltaische Dual-Ionen-Batterie in weniger als 15 Minuten mit Entladekapazitäten von bis zu 22 Milliamperestunden pro Gramm aufgeladen werden. Das System kann auch ein durchschnittliches Entladepotenzial von 3,6 Volt, eine Energiedichte von 69 Milliwattstunden pro Gramm und eine Leistungsdichte von 95 Milliwatt pro Gramm erreichen.

„Die hier vorgestellte Photobatterie ist zwar noch deutlich optimierbar, stellt aber einen großen Fortschritt bei der Entwicklung kompakter Energiequellen für integrierte Anwendungen mit geringem Stromverbrauch dar und wird den Weg für künftige Entwicklungen solcher Geräte mit organischen aktiven Materialien ebnen“, so die Forscher.

Die Wissenschaftler stellten die Batterietechnologie in dem Artikel „Organic photo-battery with high operating voltage using a multi-junction organic solar cell and an organic redox-polymer-based battery“ vor, der in Energy & Environmental Science veröffentlicht wurde.