Helt organiskt solbatteri lagrar solljus i 48 timmar med hjälp av endast vatten och organiska molekyler

Forskare i Tyskland skapade ett helt organiskt "solbatteri" som fångar upp solljus, lagrar energi i över två dagar och avger den som elektricitet. Det använder ett poröst, tvådimensionellt kovalent organiskt ramverk (COF) från naftalenediimid som kombinerar fotovoltaiska och elektrokemiska funktioner i ett lätt material. Denna metallfria design erbjuder ett mer hållbart alternativ för strömförsörjning utanför elnätet.

COF fungerar både som en ljusabsorbent och en laddningsreservoar. När den belyses genererar den elektron-hål-par och fångar upp de resulterande laddningarna i sina ordnade porer. Under vattenhaltiga förhållanden förblir laddningarna stabila i minst 48 timmar - en retentionstid som saknar motstycke för denna materialklass - och kan laddas ur på begäran för att driva en extern belastning. Teamet uppmätte en specifik kapacitet på 38 milliampere-timmar per gram, vilket överträffar jämförbara kolnitrider, polymera halvledare och metallorganiska ramverk.

Vattenmolekyler hjälper till att bevara den lagrade energin. I stället för att släcka laddningar ordnar vattnet om sig runt COF-strukturen och bildar en energibarriär som förhindrar rekombination. Studier bekräftar att denna interaktion stabiliserar fångade elektroner utan att det behövs joner eller metallcentra.

Simuleringar som leddes av spektroskopister vid Münchens tekniska universitet utforskade flera scenarier för laddningsstabilisering och visade hur molekylär design, ramverksarkitektur och det omgivande mediet samverkar för att låsa laddningar på plats. Mekanismens enkelhet - organiska byggstenar plus vatten - bidrar till att förklara materialets robusthet under cykling.

Praktiska tester underströk denna robusthet: enheten behöll mer än 90 procent av sin kapacitet efter upprepade laddnings- och urladdningscykler. Denna prestanda gör COF-plattformen till en lovande kandidat för integrerad lagring av solenergi, i synnerhet där vikt, hållbarhet och materialbrist är viktiga faktorer. Det fortsatta arbetet kommer att fokusera på att skala upp ramverkets syntes, förbättra laddningsdensiteten och integrera materialet i kompletta solcellssystem.