Sonne, Wärme und Bewegung erzeugen Spannung aus KNBNNO

Einen „Game Changer“ nennt Advanced Materials ein neuartiges Material namens KNBNNO, das auf Basis einer Perowskit-Struktur Energie sowohl aus Licht, Wärme als auch durch mechanische Verformung gewinnen kann. Das haben Forscher der Universität Oulu einer Medienmitteilung der finnischen Hochschule folgend praktisch nachgewiesen. Die Stromgewinnung aus drei verschiedenen Erneuerbaren Quellen hat dem Team zufolge großes Potenzial, beispielsweise für Sensoren oder Wearables, wo sie langfristig Akkus sogar überflüssig machen könnte.

Licht, Wärme und Druck: Beides bewirkt Stromfluss – Foto © oulu.fi

Im Februar 2017 ließen Yang Bai und sein Team an der Microelectronics Research Unit  die Fachwelt aufhorchen, als sie mitteilten, dass das Perowskit-Material geeignet erscheine, Umgebungsenergie aus drei verschiedenen Quellen nutzbar zu machen. Jetzt publzierten sie in Advanced Materials den Nachweis, dass diese Energiegewinnung auch in der Praxis funktioniert. Egal, ob beim Beleuchten mit einer Lampe, Erhitzen mit einem Föhn oder mechanischem Antippen: Die aktuell getestete Materialversion liefert stets messbar Energie.

Möglich macht dies die Tatsache, dass das ferroelektrisches Material KBNNO sowohl aufgrund von Wärme als auch durch Verformungen elektrische Spannung produziert. Zudem finden Perowskite aufgrund photoelektrischer Eigenschaften auch in Solarzellen Anwendung (Foto li.). Die aktuelle Arbeit bestätigt Bais im Februar geäußerte Vermutung, dass sich durch Änderungen der genauen chemischen Zusammensetzung für die Stromgewinnung relevante Eigenschaften des Materials optimieren lassen. Die nun vorgestellte Mischung enthält Natrium, was zu einer geringeren Bandlücke führt.

Abstract aus Advanced Materials – Es wird über eine mit 2 mol% Ba(Ni0.5Nb0.5)O3?? (BNNO) dotierte Perovskit-Feststofflösung (K0.5Na0.5)NbO3 (KNN) vom Typ ABO3 berichtet. Eine solche Zusammensetzung ergibt eine viel schmalere Bandlücke (~1,6 eV) im Vergleich zu den reinem KNN- und anderen weit verbreiteten piezoelektrischen und pyroelektrischen Materialien (z.B. Pb(Zr,Ti)O3, BaTiO3). Mittlerweile weist sie den gleichen großen piezoelektrischen Koeffizienten wie der von KNN (~100 pC N?1) und einen viel größeren pyroelektrischen Koeffizienten (~130 µC m?2 K?1) gegenüber dem zuvor gemeldeten schmalbandigen Material (KNbO3)1?x-BNNOx. Die einzigartige Kombination dieser hervorragenden ferroelektrischen und optischen Eigenschaften eröffnet die Entwicklung einer Mehrfach-Energie-Gewinnung oder von multifunktionalen Sensoren für die gleichzeitige und effiziente Umwandlung von solar-, thermischen und kinetischen Energien in Strom in einem einzigen Material. Individuelle und umfassende Charakterisierungen der optischen, ferroelektrischen, piezoelektrischen, pyroelektrischen und photovoltaischen Eigenschaften werden mit einzelnen und koexistierenden Energiequellen untersucht. Es wird keine abbauende Wechselwirkung zwischen ferroelektrischen und photovoltaischen Verhalten beobachtet. Diese Komposition kann die Arbeitsprinzipien von hochmodernen Hybrid-Energieerzeugern und -sensoren grundlegend verändern und damit die Energieeffizienz und die Zuverlässigkeit von Energieerzeugern in Umgebungen erheblich steigern.

Innerhalb weniger Jahre zur Marktreife

Bai geht davon aus, dass die Technologie innerhalb weniger Jahre zur Marktreife geführt werden kann. Denn die Herstellung von Perowskit-Materialien ist einfach, das Team muss aber eine möglichst optimale KBNNO-Mischung finden. Anfangs dürfte das Material dann Akkus ergänzen und dafür sorgen, dass Geräte weniger oft geladen werden müssen, so Bai. Langfristig könnten Akkus bei kompakten Geräten sogar überflüssig werden: „Das wird die Entwicklung des Internets der Dinge und von Smart Cities vorantreiben, wo stromverbrauchende Sensoren und Geräte energetisch nachhaltig sein könnten“.

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