Die beschleunigte autonome Entdeckung von Materialien über die Photovoltaik (PV) hinaus basiert auf der neu entwickelten High-Throughput Characterization Platform (HTCP). Diese konzentriert sich in erster Linie auf Materialien zur CO₂-Reduktion und Wasserspaltung. Durch Nutzung der Fortschritte der Photovoltaik-Materialentdeckungsplattform werden bestehende und neue Materialbibliotheken aus erdreichen Stoffen auf Anwendungen im Bereich der Elektrokatalyse und Photoelektrokatalyse getestet, die über die Photovoltaik hinausgehen.

Die Langzeitspeicherung von Energie in Form von Brennstoffen und Chemikalien ist entscheidend, um saisonale Schwankungen der photovoltaischen Stromerzeugung auszugleichen. Unser Ansatz: ein „künstliches Blatt“, das CO₂, Wasser und Sonnenlicht über photovoltaisch getriebene Elektrolyse (PV-EC) in wertvolle Produkte umwandelt.Dafür kombinieren wir photovoltaische und elektrochemische Expertise und entwickeln neue Materialien sowie Bauelemente für nachhaltige Lösungen im TW-Maßstab. Wir erforschen PV-EC-Kombinationen mit Fokus auf Technologien ohne kritische Rohstoffe, die unter realistischen Bedingungen betrieben werden können. Ein Schwerpunkt liegt auf Methoden zur Entwicklung, Prognose und Evaluierung dieser Systeme für unterschiedliche Betriebszyklen.Für experimentelle Studien nutzen wir flexible PV-Emulationsverfahren, die die PV-Strom-Spannungs-Kennlinien unter realen Einstrahlungs- und Temperaturverläufen exakt wiedergeben. So können wir neue Materialien und Bauelemente unter ihren vorgesehenen klimatischen Bedingungen kontrolliert und reproduzierbar untersuchen.

Unser Konzept der direkten Kopplung und Integration von PV-Bauelementen mit Batterien ist einfach, skalierbar und hocheffizient. Es eignet sich für Anwendungen, die von Indoor-Internet-of-Things bis hin zu großformatigen Photovoltaikmodulen im Außenbereich reichen. Mittels Modellierungen, Laborexperimenten im kleinen Maßstab und Prototypen im realen Außeneinsatz demonstrieren wir eine exzellente Leistungsanpassung von PV-Batteriebauelementen über einen weiten Bereich von Einstrahlungsstärken, Temperaturen und Lastbedingungen. In enger Zusammenarbeit innerhalb des Forschungszentrums Jülich streben wir eine tiefgreifende Integration von PV-Batteriebauelementen an, um deren Leistung, Sicherheit, Stabilität und Nachhaltigkeit durch die Erforschung neuer Materialkombinationen und fortschrittlicher Integrationstechnologien weiter zu verbessern.

Um den Herausforderungen der kurz- und langfristigen Energiespeicherung zu begegnen, untersuchen wir direkt gekoppelte Photovoltaik-Elektrolyseur-Batterie-Hybrideinheiten (PV-EC-B). Unsere theoretischen und experimentellen Arbeiten belegen die Machbarkeit eines autonomen Betriebs dieser Einheiten ohne leistungselektronische Komponenten. Durch die Integration elektrochemischer und batteriebasierter Speicher wird eine stabile Leistungsübertragung und ein unterbrechungsfreier Betrieb des Elektrolyseurs gewährleistet. Darüber hinaus wird der Solar-zu-Chemie-Wirkungsgrad gesteigert, selbst unter Berücksichtigung unvermeidlicher Batterieverluste. Durch diese Synergie kann die Solar-zu-Chemie-Effizienz der Hybrideinheiten über das theoretische Limit einer reinen PV-EC-Einheit hinaus gesteigert werden. Der Umfang dieses Effizienzgewinns sowie die Auswirkungen der Synergie auf die Langzeitstabilität elektrochemischer Materialien sind der Fokus unserer aktuellen Forschung.

Bei der Durchführung praktischer Tests zur PV-gesteuerten Elektrochemie sehen sich Forscher aufgrund der Bedingungen in ihren Labors oder Teststätten häufig mit Einschränkungen konfrontiert. Experimentelle Geräte sind meist auf Laborumgebungen beschränkt, weshalb eine Kopplung mit physikalischen Photovoltaikanlagen nicht möglich ist. Um diese Einschränkungen zu vermeiden, verwenden wir ein speziell entwickeltes Werkzeug: den PV-Emulator. Die Software und Hardware dieses PV-Emulators sind in der Lage, jede erforderliche PV-IV-Kurve physikalisch wiederzugeben. Dieser Ansatz bietet maximale Flexibilität bei der Auswahl eines Photovoltaikmoduls und der Betriebsbedingungen. Mit diesem Werkzeug können beliebige Zeitreihen von IVs über den erforderlichen Zeitraum hinweg reproduzierbar emuliert werden. Dadurch können elektrochemische Bauelemente auf reale Betriebsbedingungen ausgerichtet werden. Zudem ergibt sich eine einzigartige Kooperationsmöglichkeit für Gruppen, die solche Bauelemente entwickeln.

Um genaue, zuverlässige und realistische Funktionstests von Batterien zu gewährleisten, nutzt unser Light-2-X-Labor eine speziell entwickelte Thermokammer mit einem vollautomatischen Heiz- und Kühlsystem. Dieses ermöglicht eine präzise Temperaturregelung von −20 °C bis 80 °C. Diese Konfiguration ist für die Prüfung des Batterieverhaltens unter unterschiedlichen thermischen Bedingungen unerlässlich und wurde bereits intensiv für den Zyklustest von PV-Batterieeinheiten unter realistischen Temperaturbedingungen eingesetzt.

Im Light-2-X Lab werden integrierte, direkt gekoppelte PV-Batteriemodule entwickelt und unter realen Außenbedingungen getestet. Eine speziell entwickelte Steuerungssoftware sorgt für einen kontinuierlichen und sicheren Betrieb der Module und ermöglicht gleichzeitig einstellbare Lastprofile, die realistische Verbrauchsszenarien widerspiegeln. Diese Konfiguration liefert umfassende Daten zu elektrischen Parametern und vor allem zu den thermischen Bedingungen für die PV- und Batterie. Diese über einen Zeitraum von mehr als einem Jahr gesammelten Daten bilden eine solide Grundlage für die Weiterentwicklung und Optimierung direkt gekoppelter PV-Batterie-Module.