Energiequellen der nächsten Generation ebnen den Weg für energieautarke Geräte
In den letzten Jahren wurden verschiedene Energiegewinnungsverfahren entwickelt, um Mängel von Batterien im Hinblick auf die Kosten und chemische Sicherheit zu überwinden. „Energy Harvester“, Materialien für die Nutzbarmachung von Energie, wandeln verschiedene Energieformen in Strom um, um energieautarke Geräte herzustellen. Aus mehreren Gründen haben sie Batterien jedoch noch nicht ersetzt. „Es wurde eine entscheidende und drängende Frage aufgeworfen – wie kann das immense Potenzial der Energieernte-Technologie realisiert werden?“, fragt NextGEnergy-Marie Skłodowska-Curie-Stipendiat Yang Bai. Das EU-finanzierte Projekt NextGEnergy widmete sich der Untersuchung, ob mit einem Material mehrere Energiequellen nutzbar gemacht werden könnten. „Wir suchten nach einem Material, das gleichzeitig Licht-, Wärme- und Bewegungsenergie in Strom umwandeln kann“, sagt Bai. Als ein Material entdeckt wurde, dass alle drei Energiearten nutzbar machen kann, wurde dieses für Geräte eingesetzt, die klein und portabel sein müssen. Ein Wundermaterial als Batterieersatz Die Forscher begannen mit einer Betrachtung der chemischen Zusammensetzung ihres Materials namens KNBNNO, um dessen grundlegende elektrische Eigenschaften zu bestimmen. Sie fokussierten sich auf die Modifizierung konventioneller ferroelektrischer Materialien, die in Sensoren und Aktuatoren Verwendung finden. Forscher führten Experimente durch, um die Bandlücke des Materials zu verringern – eine Eigenschaft, die geringfügig sein muss, damit das Material Sonnenlicht absorbieren kann. Das Team stieß zu Beginn des Projekts auf verschiedene technische Herausforderungen, da niemand zuvor je den Versuch unternommen hatte, ein solches Material zu entwickeln. Es wurde versucht, Halbleiter mit enger Bandlücke und starke Ferroelektrika miteinander zu kombinieren, um das gesuchte Wundermaterial zu erhalten. Das Team versuchte „mit einem Material eine multifunktionale und somit auf mehreren Quellen basierende Nutzbarmachung von Energie zu erreichen“, sagt Bai. Ein Fehler wird zu einem glücklichen Zufall Im ersten Viertel des Projekts wurde die chemische Zusammensetzung des Materials modifiziert, um dieses wirksam zu machen, und festgestellt, dass die angewandte Methode Fehler beinhaltete. „Wir kamen zu der Annahme, dass dies der Grund dafür gewesen ist, dass es nicht schon früher Erfolgsgeschichten hierzu gab“, sagt Bai. „Zu diesem Zeitpunkt befanden wir uns in einer Situation, in der es überhaupt keine relevanten Erfahrungen oder Referenzen zu unseren Maßnahmen gab.“ Durch Reduzierung der sogenannten Dotierungskonzentration auf ein hinreichend geringes Niveau stellten die Forscher fest, dass ihr Material zusätzlich zu den anderen Eigenschaften zur Energiegewinnung als Solarzelle verwendet werden könnte. „Das gesamte Projekt verwandelte sich daraufhin über Nacht von einem fortwährenden Ringen zu einem bahnbrechenden wissenschaftlichen Erfolg.“ Während Forscher das neuartige Material anfangs auf die Nutzbarmachung verschiedener Energien auslegten, entdeckten sie das Potenzial für andere Anwendungsbereiche. Die Forscher fanden heraus, dass das neue Material in optoelektrischen und optoferroelektrischen Bauelementen der nächsten Generation angewandt werden könnte. Vermarktung des neuen Materials Im Hinblick auf die Zukunft hoffen die Forscher, ihre Ergebnisse im industriellen und wissenschaftlichen Bereich einbringen zu können. Zur Kommerzialisierung des Materials und seiner Eigenschaften für die Nutzbarmachung von Energie haben die Forscher vor, baldmöglichst ihre Ergebnisse mit ihrem bestehenden Know-how zu kombinieren. Die aktuelle Entwicklungsrichtung der Technologie geht in eine batteriebetriebene Zukunft – im Gegensatz zu Batterien hat das Team jedoch die Nachhaltigkeit des neuartigen Materials vor Augen. „Wenn sich das Laden praktisch gestaltet, ist die Batterie zweifelsohne eine günstigere Lösung für den Menschen, um das Thema Energiespeicherung und Energiequelle zu adressieren“, sagt Jari Juuti, der Leiter des Forschungsteams. „Jedes Jahr werden allerdings Milliarden von Batterien weggeworfen, und aufgrund der Chemikalien in den Batterien ist es ein Umweltrisiko, wenn diese nicht ordnungsgemäß entsorgt werden.“ Dies wird noch bedeutsamer werden, da das Internet der Dinge von derzeit Milliarden auf Billionen batteriebetriebener Geräte anwächst.
Schlüsselbegriffe
NextGEnergy, ferroelektrisch, Internet der Dinge, optoelektrisch, , Solarzelle, Bewegungsenergie, photoferroelektrisch, piezoelektrisch
