Підводні сонячні елементи працюють на глибині 10 метрів під поверхнею океану

Вчені занурили сонячні елементи на нову глибину, продемонструвавши, що вони можуть працювати на глибині 10 метрів під поверхнею Південно-Китайського моря. Дослідження, опубліковане 11 вересня в журналі Joule, показало, що сонячні елементи могли генерувати 324 мегават-години енергії — достатньо для заряджання літій-іонних акумуляторів — під час занурення протягом двох годин, а також могли безперервно працювати на глибині 10 метрів (33 футів) приблизно 5,5 року. Результати свідчать, що підводні сонячні елементи можуть живити занурені датчики, камери та системи зв’язку далеко від суходолу.

Звичайні кремнієві сонячні елементи для цього завдання підходять значно гірше. Вони розраховані на широкий спектр наземного сонячного світла, зокрема, червоне та інфрачервоне випромінювання, але вода швидко поглинає ці довжини хвиль. На глибині приблизно 5–10 метрів у воді переважає синьо-зелене світло з довжинами хвиль близько 400–600 нанометрів. Саме тому дослідники використали перовскіт із широкою забороненою зоною приблизно 1,96 еВ, оптимізувавши його для світла, яке залишається під водою. До матеріалу також додали полімер PHMG, що допомагає стабілізувати кристалічну структуру перовскіту та зменшити кількість дефектів, які погіршують електричні характеристики.

Моделювання світла під поверхнею

Хоча сонячні елементи вже давно використовуються для живлення технологій на суші, дослідникам було складно збирати сонячну енергію під водою для моніторингу аквакультури та інших потреб, оскільки інтенсивність сонячного світла швидко зменшується на невеликих відстанях. Щоб подолати цю проблему, команда Чжана спочатку розробила спеціальну лабораторну систему з оптичними фільтрами, налаштованими для імітації підводного освітлення на різних глибинах.

Під час лабораторних експериментів дослідники визначили, що розроблені ними занурювані сонячні елементи були одними з найефективніших, із широкою шириною забороненої зони — характеристикою, яка дає змогу поглинати світло від синьої до помаранчевої частини спектра. Після зберігання елементів у рукавичковому боксі, заповненому газоподібним азотом, протягом 300 днів сонячні елементи зберегли близько 96% своєї початкової ефективності. Вони також майже не деградували після 1160 годин роботи в змодельованих умовах на глибині 10 метрів, що свідчить про надзвичайну довговічність під водою.

Від лабораторних модулів до морських випробувань

Потім команда інтегрувала перовскітні сонячні елементи з підводними роботами, розгорнувши їх на глибині 10 метрів біля островів Вейчжоу в Південно-Китайському морі, щоб перевірити їхнє застосування в реальних умовах. За словами Чжана, елементи продемонстрували “виняткову” довготривалу стабільність роботи.

У майбутніх дослідженнях команда Чжана планує випробувати перовскітні сонячні елементи на більших глибинах, дослідити межу, на якій можуть працювати підводні сонячні елементи, та розробити стандартизовані протоколи випробувань для підводних фотоелектричних систем.

Втім, перед дослідниками залишаються проблеми, які не можна вирішити лише підбором правильного спектра світла. На поверхні елементів можуть осідати морські організми, створюючи біообростання і перекриваючи доступ світла. Додатковими загрозами є плаваюче сміття та корозія від солоної води, яка з часом здатна пошкоджувати захисні шари. Тому реальна робоча глибина залежатиме не тільки від інтенсивності світла, а й від того, наскільки добре система витримуватиме умови морського середовища.

Джерело: TechXplore