Vir: scitechdaily
Organiziranih in anorganskih materialov, ki bi jih lahko uporabili za izkoriščanje sončne svetlobe pod vodo in učinkovito delovanje avtonomnih potopnih vozil, je veliko, so poročali raziskovalci na newyorški univerzi. Njihova raziskava, objavljena danes (18. marec 2020) v reviji Joule, razvija smernice za optimalne vrednosti vrzeli v območju vodnih globin, ki dokazujejo, da so polprevodniki širokega pasu, namesto ozko pasovnih polprevodnikov, ki se uporabljajo v tradicionalnem siliciju sončne celice, so najbolje opremljene za uporabo pod vodo.
"Do zdaj je bil splošen trend uporabe tradicionalnih silicijevih celic, za katere kažemo, da še zdaleč niso idealne, ko greste na pomembno globino, saj silicij absorbira veliko rdeče in infrardeče svetlobe, ki jo absorbira tudi voda - zlasti pri velike globine, "pravi Jason A. Röhr, podoktorski znanstveni sodelavec v laboratoriju za transformativne materiale in naprave prof. Andréja D. Taylorja na tehniški šoli Tandon na newyorški univerzi in avtor študije. "Z našimi smernicami je mogoče razviti bolj optimalne materiale."
Podvodna vozila, kot so tista, ki se uporabljajo za raziskovanje breznonskega oceana, so trenutno omejena z energijo na kopnem ali neučinkovitimi akumulatorji na krovu, kar preprečuje potovanje na daljše razdalje in obdobja. Medtem ko bi tehnologija sončnih celic, ki je že vzletela na kopnem in v vesolju, lahko tem potopnim motorjem dala več svobode pri letenju, vodni svet predstavlja svojevrstne izzive. Voda razprši in absorbira večji del vidnega svetlobnega spektra, tako da namoči rdeče valovne dolžine sonca tudi na majhnih globinah, preden bi jih sončne celice na osnovi silicija lahko zajele.
Večina prejšnjih poskusov razvoja podvodnih sončnih celic je bila zgrajena iz silicija ali amorfnega silicija, ki imata vsaka ozke pasove, ki so najbolj primerni za absorpcijo svetlobe na kopnem. Vendar modra in rumena svetloba uspe prodreti globoko v vodni stolpec, čeprav se zmanjšajo druge valovne dolžine, kar kaže, da lahko polprevodniki s širšimi pasovnimi vrzeli, ki jih ne najdemo v tradicionalnih sončnih celicah, zagotavljajo boljše napajanje z energijo pod vodo.
Za boljše razumevanje potenciala podvodnih sončnih celic sta Röhr in sodelavci ocenili vodna telesa od najbolj jasnih regij Atlantskega in Tihega oceana do motna finskega jezera, pri čemer so uporabili model podrobnega ravnotežja za merjenje meja učinkovitosti sončnih celic pri vsaki lokacijo. Pokazalo se je, da sončne celice pridobivajo energijo od sonca do globine 50 metrov v najčistejših vodnih telesih Zemlje, hladne vode pa še povečajo učinkovitost celic.
Izračuni raziskovalcev so razkrili, da bodo absorbtorji sončnih celic najbolje delovali z optimalno vrzeljo približno 1,8 elektronapetosti na globini dveh metrov in približno 2,4 elektronvolta na globini 50 metrov. Te vrednosti so ostale konsistentne za vse preučene vodne vire, kar kaže, da so sončne celice lahko prilagojene specifičnim globinam dela in ne vodi.
Röhr ugotavlja, da bi lahko bile v globokih vodah poceni izdelane sončne celice iz organskih materialov, za katere je znano, da delujejo dobro v razmerah slabe svetlobe, pa tudi zlitine, izdelane z elementi iz tretjih in petih skupin na periodični tabeli. In čeprav bi se snov polprevodnikov razlikovala od sončnih celic, ki se uporabljajo na kopnem, bi celotna zasnova ostala relativno podobna.
"Medtem ko bi se morali materiali za spravilo na soncu spremeniti, splošni dizajn ne bi moral nujno toliko spremeniti," pravi Röhr. "Tradicionalne silikonske sončne plošče, kot so tiste, ki jih najdete na strehi, so vgrajene, da preprečijo škodo okolju. Študije so pokazale, da je mogoče te plošče mesece potopiti in obratovati v vodi, ne da bi pri tem nastale velike škode. Podobne metode zapiranja se lahko uporabijo za nove sončne panele iz optimalnih materialov. " Zdaj ko so odkrili, kaj učinkovito podvodne sončne celice klopijo, raziskovalci načrtujejo začeti z razvojem optimalnih materialov.
"Tu se začne zabava!" pravi Röhr. "Že smo raziskali nekapsulirane organske sončne celice, ki so v vodi zelo stabilne, vendar moramo še vedno pokazati, da je mogoče te celice narediti učinkovitejše od tradicionalnih. Glede na to, kako sposobni so naši kolegi po vsem svetu, smo prepričani, da bomo te nove in vznemirljive sončne celice videli na trgu v bližnji prihodnosti. "
