Entra la luz del sol - se va la luz, mucho después del atardecer
Batería solar basada en material orgánico poroso
Este material actúa como un depósito solar, almacenando energía y liberándola en forma de electricidad mucho después de la puesta de sol. Así, la energía solar captada puede utilizarse también para suministrar electricidad en la oscuridad. Por primera vez ha sido posible combinar la captación solar y el almacenamiento de energía a largo plazo en un único armazón molecular sin metales, fusionando así las funciones de una célula solar y una batería en un sistema único, ligero y sostenible.
Investigadores de la Universidad Técnica de Múnich (TUM), el Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido de Stuttgart y la Universidad de Stuttgart, con el apoyo del Cluster de Excelencia e-conversión, han desarrollado un marco orgánico covalente (COF) bidimensional altamente poroso basado en naftalendiimida. Esta estructura no sólo absorbe la luz solar, sino que también estabiliza las cargas fotoinducidas resultantes, lo que permite almacenar energía durante más de 48 horas en entornos acuosos.
Las cargas almacenadas no sólo se retienen, sino que pueden descargarse activamente para alimentar una carga externa, lo que permite un uso energético real. "Este material tiene una doble funcionalidad y actúa como absorbente solar y como depósito de carga a largo plazo", explica Bibhuti Bhusan Rath, autora principal del estudio y postdoctoranda en el equipo de investigación de la profesora Bettina Lotsch (directora del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido). "Su rendimiento supera el de muchos materiales optoiónicos existentes, y lo hace sin depender de metales o elementos raros".
Combinando técnicas ópticas, electroquímicas y computacionales avanzadas, los investigadores descubrieron que el agua desempeña un papel fundamental en la estabilización de las cargas almacenadas. En lugar de interactuar fuertemente con iones externos, las moléculas de agua responden a las cargas de la espina dorsal del COF de forma que crean una barrera energética, impidiendo eficazmente la recombinación de las cargas atrapadas generadas por la luz y preservando la energía para su posterior liberación. El material presenta una capacidad de almacenamiento de carga de 38 mAh/g, superando a estructuras similares y a otros materiales sensibles a la luz, como los nitruros de carbono y las estructuras metalorgánicas.
Sencillez y robustez
El mecanismo teórico que subyace a este comportamiento se dilucidó junto con el equipo de Frank Ortmann, catedrático de Métodos Teóricos en Espectroscopia de la Facultad de Ciencias Naturales de la TUM, segundo autor correspondiente del estudio. Mediante extensas simulaciones, evaluaron varios escenarios de estabilización de la carga. Colaboraron estrechamente con el equipo experimental para comprender la interacción entre la estructura del COF, los estados electrónicos y el medio acuoso circundante. "La belleza de este sistema reside en su sencillez y robustez", explica Ortmann. "Almacena cargas inducidas por la luz en un estado estable, resultado de la interacción única del diseño molecular, la arquitectura del marco y el entorno, y las libera cuando es necesario".
El equipo, que colaboró con investigadores del grupo del profesor Joris van Slageren de la Universidad de Stuttgart, demostró además una excelente estabilidad cíclica, con una retención de la capacidad superior al 90% tras múltiples ciclos de carga, lo que apunta a una nueva y potente plataforma para baterías solares. "Este trabajo pone de relieve el potencial de las estructuras orgánicas para aplicaciones energéticas avanzadas, utilizando únicamente componentes orgánicos y agua", afirma Lotsch, autor principal del trabajo. "Supone un paso importante hacia soluciones de almacenamiento de energía sostenibles y basadas en materiales y aplicaciones fuera de la red".
El innovador enfoque de las baterías solares se sigue investigando en el recientemente fundado Centro de Baterías Solares de la MPG-TUM (SolBat).
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Publicación original
Bibhuti Bhusan Rath, Laura Fuchs, Friedrich Stemmler, Andrés Rodríguez-Camargo, Yang Wang, Maximilian F. X. Dorfner, Johann Olbrich, Joris van Slageren, Frank Ortmann, Bettina V. Lotsch; "Insights into Decoupled Solar Energy Conversion and Charge Storage in a 2D Covalent Organic Framework for Solar Battery Function"; Journal of the American Chemical Society, 2025-4-28
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