Fram till nu har generering och lagring av el från solenergi varit beroende av olika enheter, vilket lett till omvandlingsförluster. Det kan snart ändras, eftersom kemister vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) och andra forskningsinstitut i Tyskland, Australien, Storbritannien, Italien, Sverige och USA forskar om en kolvätemolekyl som antingen kan omvandla solljus till el eller spara energin under lång tid i kemisk form.

Detta kan bana väg för helt nya organiska solcellsmoduler. Grunderna för omvandling och lagring med hjälp av molekylen har nu publicerats i tidskriften Nature Chemistry .

Förhoppningarna är fortfarande höga att solenergi kommer att vara en viktig drivkraft för energiomvandlingen. Men eftersom solljus är en mycket flyktig energikälla måste en lösning hittas för att lagra energi effektivt.

"Tills nu har vi överfört elektricitet från solcellsmoduler som inte förbrukas omedelbart till ett batteri, där det kan användas vid behov", förklarar prof. Dr. Julien Bachmann, ordförande för kemi för tunnfilmsmaterial (CTFM) på FAU. "Genom att upprepade gånger växla mellan kemisk och elektrisk energi förloras minst 30 % av den ursprungliga omvandlade energin under denna batterilagringsprocess."

Tillsammans med Michael Bosch, doktorand vid Chair CTFM, hoppas Bachmann kunna locka en ny egenskap från ett känt material, vilket gör att den antingen omvandlar solljus till elektrisk energi eller lagrar energin, beroende på behov. Materialet i fråga är norbornadien, en kolväteisomer som består av två molekylringar. Om norbornadien utsätts för ultraviolett ljus, leder en partiell omorganisation av atombindningarna till att den omvandlas till den liknande strukturerade men mer ansträngda kvadricyklanen.

"Omvandlingsprocessen är redan känd, men forskningen har hittills fokuserat på att återvinna den lagrade energin i form av värme", förklarar Bachmann. "Vårt nya tillvägagångssätt innebär att styra processen så att den lagrade energin också kan göras tillgänglig som elektricitet, även efter att månader har gått."

Forskare förstår fortfarande inte helt de fysikalisk-kemiska mekanismerna bakom övergångarna mellan isomererna. Forskare från Australien, Storbritannien, Italien, Sverige och USA arbetar tillsammans med kollegor från FAU för att få en bättre förståelse för processen genom att använda fotoelektronspektroskopi.

Bachmann säger, "Ju mer vi vet om dynamiken i foto- och elektrokemisk transformation, desto bättre kan vi modifiera molekylens design för att passa de önskade funktionerna."

Syftet med framtida forskning är till exempel att inte bara använda ultraviolett excitation, utan också ett brett spektrum av solljus för elektronexcitation. "Det finns mycket potential", förklarar Bachmann. "Den rena energitätheten hos norbornadien-kvadricyklansystemet är jämförbar med ett litiumjonbatteri."

Om forskare lyckas på ett tillförlitligt sätt kontrollera den reversibla norbornadien-kvadricyklan-omvandlingen skulle det inte bara leda till en effektiv solcellsmodul som även lämpar sig för att lagra el. Det organiska kolvätebaserade materialet skulle också vara kostnadseffektivt att producera, skulle inte kräva sällsynta metaller och skulle vara lätt att kassera eller återvinna på ett miljövänligt sätt i slutet av sin livscykel.

Mer information: Kurtis D. Borne et al, Ultrasnabba elektroniska avslappningsvägar för den molekylära fotoväxeln quadricyclane, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-023-01420-w

Journalinformation: Naturkemi

Tillhandahålls av Friedrich–Alexander University Erlangen–Nurnberg