Подводные солнечные элементы работают на глубине 10 метров под поверхностью океана

Учёные опустили солнечные элементы на новую глубину, продемонстрировав, что они могут работать на глубине 10 метров под поверхностью Южно-Китайского моря. Исследование, опубликованное 11 сентября в журнале Joule, показало, что солнечные элементы могли генерировать 324 милливатт-часа энергии — достаточно для зарядки литий-ионных аккумуляторов — при погружении в течение двух часов, а также могли непрерывно работать на глубине 10 метров примерно 5,5 года. Результаты показывают, что подводные солнечные элементы могут питать погруженные датчики, камеры и системы связи вдали от суши.

«Подводным солнечным элементам было посвящено очень мало исследований, и все они касались лишь очень небольших глубин — всего до двух метров, что далеко не соответствует требованиям практического применения», — говорит автор исследования Вэнь-Хуа Чжан из Университета Юньнань и Объединённой аспирантуры Юго-Западного университета в Куньмине, Китай.

Обычные кремниевые солнечные элементы для этой задачи подходят гораздо хуже. Они рассчитаны на широкий спектр наземного солнечного света, в частности, на красное и инфракрасное излучение, но вода быстро поглощает эти длины волн. На глубине примерно 5–10 метров в воде преобладает сине-зелёный свет с длинами волн около 400–600 нанометров. Именно поэтому исследователи использовали перовскит с широкой запрещенной зоной примерно 1,96 эВ, оптимизировав его для света, проникающего под воду. В материал также добавили полимер PHMG, который помогает стабилизировать кристаллическую структуру перовскита и уменьшить количество дефектов, ухудшающих электрические характеристики.

Моделирование света под поверхностью

Хотя солнечные элементы уже давно используются для питания технологий на суше, исследователям было сложно собирать солнечную энергию под водой для мониторинга аквакультуры и других нужд, поскольку интенсивность солнечного света быстро снижается на небольших расстояниях. Чтобы решить эту проблему, команда Чжана сначала разработала специальную лабораторную систему с оптическими фильтрами, настроенными для имитации подводного освещения на разных глубинах.

«Эта работа представляет собой первую функциональную проверку солнечных элементов, которые фактически работают под водой на глубине около 10 метров, что значительно расширяет сферу их применения».

В ходе лабораторных экспериментов исследователи установили, что разработанные ими погружные солнечные элементы были одними из самых эффективных, обладающие широкой запрещенной зоной — характеристикой, позволяющей поглощать свет от синей до оранжевой части спектра. После хранения элементов в перчаточном боксе, заполненном газообразным азотом, в течение 300 дней солнечные элементы сохранили около 96 % своей первоначальной эффективности. Они также практически не деградировали после 1160 часов работы в смоделированных условиях на глубине 10 метров, что свидетельствует об исключительной долговечности под водой.

Схематическая диаграмма зарядной системы на основе подводных фотоэлектрических панелей, работающей на морской глубине 10 м, где погруженные в воду перовскитные солнечные модули генерируют электричество для зарядки литий-ионных аккумуляторов (LIB) или питания светодиодной панели. Фото: Университет Юньнань, Китай

От лабораторных модулей до морских испытаний

Затем команда интегрировала перовскитные солнечные элементы с подводными роботами, развернув их на глубине 10 метров у островов Вэйчжоу в Южно-Китайском море, чтобы проверить их применение в реальных условиях. По словам Чжана, элементы продемонстрировали «исключительную» долгосрочную стабильность работы.

«Больше всего нас удивило то, сколько электроэнергии наши крупногабаритные модули выработали в реальных условиях на глубине 10 метров всего за два часа», — — говорит Чжан. — «Кроме того, нам удалось масштабировать систему от лабораторных элементов небольшой площади до модулей большого размера», — — говорит Чжан. — «Сочетание лабораторных исследований и полевых экспериментов предоставляет убедительные доказательства работоспособности подводных фотоэлектрических систем».

В будущих исследованиях команда Чжана планирует испытать перовскитные солнечные элементы на больших глубинах, изучить предел, в пределах которого могут работать подводные солнечные элементы, и разработать стандартизированные протоколы испытаний для подводных фотоэлектрических систем.

Схематическая диаграмма погружных перовскитных солнечных элементов для подводного применения

Впрочем, перед исследователями по-прежнему стоят проблемы, которые невозможно решить лишь подбором правильного спектра света. На поверхности элементов могут оседать морские организмы, образуя биологическое обрастание и перекрывая доступ света. Дополнительными угрозами являются проблема плавающего мусора и коррозии от соленой воды, которая со временем может повредить защитные слои. Поэтому фактическая рабочая глубина будет зависеть не только от интенсивности света, но и от того, насколько хорошо система будет выдерживать условия морской среды.