Может быть много упускаемых из виду органических и неорганических материалов, которые можно было бы использовать для использования солнечного света под водой и эффективного питания автономных подводных аппаратов, сообщают исследователи Нью-Йоркского университета. Их исследования, опубликованные 18 марта в журнале Joule, разрабатывают руководство по оптимальным значениям полосового зазора на различных глубинах воды, демонстрируя, что различные широкополосные полупроводники, а не узкополосные полупроводники, используемые в традиционных кремниевых солнечных батареях, лучше всего подходят для подводного использования.
"До сих пор общей тенденцией было использование традиционных кремниевых элементов, которые, как мы показываем, далеки от идеала, когда вы заходите на значительную глубину, поскольку кремний поглощает большое количество красного и инфракрасного света, который также поглощается водой - особенно на больших глубинах", - говорит Джейсон А. Рур (Jason A. Röhr), научный сотрудник аспирантуры в лаборатории трансформационных материалов и устройств профессора Андре Д. Тейлора (André D. Taylor) Инженерной школы Тэндона при Нью-Йоркском университете, и автор исследования. "С помощью наших рекомендаций можно разработать более оптимальные материалы".
Подводные транспортные средства, используемые, например, для исследования абиссального океана, в настоящее время ограничены береговой энергией или неэффективными бортовыми батареями, что препятствует путешествиям на большие расстояния и в длительные промежутки времени. Но в то время как технология солнечных батарей, которая уже взлетела на сушу и в космическом пространстве, может дать этим подводным аппаратам больше свободы передвижения, водный мир представляет собой уникальный вызов. Вода рассеивает и поглощает большую часть спектра видимого света, впитывая красные солнечные волны даже на небольшой глубине, прежде чем солнечные элементы на основе кремния смогут их захватить.
Большинство предыдущих попыток развития подводных солнечных батарей были построены из кремния или аморфного кремния, каждый из которых имеет узкие полосовые зазоры, лучше всего подходящие для поглощения света на суше. Тем не менее, синий и желтый свет умудряется проникать глубоко в водную толщу, даже если другие длины волн уменьшаются, что позволяет предположить, что полупроводники с более широкими полосовыми зазорами, не встречающимися в традиционных солнечных батареях, могут лучше подходить для питания энергией под водой.
Чтобы лучше понять потенциал подводных солнечных батарей, Рур и его коллеги провели оценку водоемов, начиная с самых чистых регионов Атлантического и Тихого океанов и заканчивая мутным финским озером, используя детальную модель баланса для измерения пределов эффективности солнечных батарей в каждой точке. Было показано, что солнечные элементы собирают энергию от Солнца на глубине до 50 метров в самых чистых водоемах Земли, при этом прохладная вода еще больше повышает эффективность элементов.
Расчеты исследователей показали, что поглотители солнечных батарей будут функционировать наилучшим образом с оптимальным зазором в полосе около 1.8 электронвольт на глубине двух метров и около 2.4 электронвольт на глубине 50 метров. Эти значения остались неизменными для всех исследованных источников воды, что позволяет предположить, что солнечные элементы могут быть приспособлены к конкретным рабочим глубинам, а не к расположению воды.
- Рур отмечает, что дешевые солнечные элементы, изготовленные из органических материалов, которые, как известно, хорошо работают в условиях низкой освещенности, а также сплавы, изготовленные с элементами из трех и пяти групп на периодической таблице, могут быть идеальными в глубоких водах. И хотя вещество полупроводниковых приборов будет отличаться от используемых на суше солнечных элементов, общая конструкция останется относительно похожей.
"В то время как материалы, изготавливаемые из солнечных батарей, должны были бы измениться, общая конструкция не обязательно должна была бы так сильно измениться", - говорит Рур. "Традиционные кремниевые солнечные панели, как и те, которые можно найти на крыше, заключены в капсулы, чтобы запретить ущерб от окружающей среды. Исследования показали, что эти панели могут быть погружены и работать в воде в течение нескольких месяцев без нанесения значительного ущерба панелям. Аналогичные методы инкапсуляции могут быть использованы для новых панелей солнечных батарей, изготовленных из оптимальных материалов". Теперь, когда они выяснили, что делает эффективные подводные солнечные батареи "галочкой", исследователи планируют начать разработку оптимальных материалов.
"Вот где начинается веселье!" - говорит Рур. "Мы уже исследовали неизолированные органические солнечные батареи, которые обладают высокой стабильностью в воде, но нам еще предстоит показать, что эти батареи можно сделать более эффективными, чем традиционные. Учитывая способности наших коллег по всему миру, мы уверены, что в ближайшем будущем мы увидим эти новые и захватывающие солнечные элементы на рынке".