«До сих пор общей тенденцией было использование традиционных кремниевых элементов, которые, как мы показываем, далеки от идеала, если вы погрузитесь на значительную глубину, поскольку кремний поглощает большое количество красного и инфракрасного света, который также поглощается водой, особенно водой. на больших глубинах ", – говорит Джейсон А. Рор, научный сотрудник, научный сотрудник проф. Андре Д. Лаборатория трансформирующих материалов и устройств Тейлора в инженерной школе Тандон Нью-Йоркского университета и автор исследования. "С нашими рекомендациями можно разработать более оптимальные материалы."
Подводные аппараты, такие как те, которые используются для исследования глубин океана, в настоящее время ограничены береговым питанием или неэффективными бортовыми батареями, что не позволяет путешествовать на большие расстояния и в течение определенного периода времени. Но в то время как технологии солнечных батарей, которые уже начали применяться на суше и в космосе, могут дать этим подводным аппаратам больше свободы передвижения, водный мир представляет собой уникальные проблемы.
Вода рассеивает и поглощает большую часть видимого светового спектра, поглощая красные солнечные волны с длиной волны даже на небольшой глубине, прежде чем кремниевые солнечные элементы смогут их уловить.
Большинство предыдущих попыток разработать подводные солнечные элементы были сконструированы из кремния или аморфного кремния, каждый из которых имеет узкую запрещенную зону, лучше всего подходящую для поглощения света на суше. Тем не менее, синий и желтый свет проникают глубоко в толщу воды, даже когда волны других длин уменьшаются, что позволяет предположить, что полупроводники с более широкими запрещенными зонами, которых нет в традиционных солнечных элементах, могут лучше подходить для снабжения энергией под водой.
Чтобы лучше понять потенциал подводных солнечных элементов, Рор и его коллеги оценили водные объекты в диапазоне от самых чистых регионов Атлантического и Тихого океанов до мутного финского озера, используя модель детального баланса для измерения пределов эффективности солнечных элементов в каждом из них. место нахождения. Было показано, что солнечные элементы собирают энергию от солнца на глубине до 50 метров в самых чистых водоемах Земли, а холодная вода еще больше повышает эффективность этих элементов.
Расчеты исследователей показали, что поглотители солнечных элементов лучше всего работают с оптимальной шириной запрещенной зоны около 1.8 электронвольт на глубине двух метров и около 2.4 электронвольта на глубине 50 метров. Эти значения оставались неизменными для всех изученных источников воды, что позволяет предположить, что солнечные элементы могут быть адаптированы к определенной рабочей глубине, а не к местоположению воды.
Рор отмечает, что дешевые солнечные элементы из органических материалов, которые, как известно, хорошо работают в условиях низкой освещенности, а также сплавы, сделанные из элементов из третьей и пятой групп периодической таблицы, могут быть идеальными для глубоководных вод.
И хотя субстанция полупроводников будет отличаться от солнечных элементов, используемых на суше, общая конструкция останется относительно похожей.
«В то время как собирающие солнце материалы должны быть изменены, общий дизайн не обязательно должен измениться так сильно», – говорит Рор. "Традиционные кремниевые солнечные панели, такие как те, которые вы можете найти на своей крыше, герметизированы, чтобы предотвратить ущерб от окружающей среды.
Исследования показали, что эти панели можно погружать и эксплуатировать в воде в течение нескольких месяцев без значительного повреждения панелей. Подобные методы инкапсуляции могут быть использованы для новых солнечных панелей, изготовленных из оптимальных материалов.«Теперь, когда они обнаружили, что делает эффективные подводные солнечные элементы, исследователи планируют приступить к разработке оптимальных материалов.
"Здесь начинается самое интересное!"говорит Рор. «Мы уже исследовали неинкапсулированные органические солнечные элементы, которые очень стабильны в воде, но нам все еще нужно показать, что эти элементы можно сделать более эффективными, чем традиционные элементы. Учитывая, насколько способными являются наши коллеги по всему миру, мы уверены, что в ближайшем будущем увидим эти новые интересные солнечные элементы на рынке."