Källa: scitechdaily
Det kan finnas många förbisatta organiska och oorganiska material som kan användas för att utnyttja solljus under vattnet och effektivt driva autonoma undervattensfordon, rapporterar forskare vid New York University. Deras forskning, som publiceras idag (18 mars 2020) i tidskriften Joule, utvecklar riktlinjer för optimala bandgapvärden på en mängd vattendjup, vilket visar att olika bredbandshulls halvledare, snarare än de smalbandiga halvledarna som används i traditionell kisel solceller, är bäst utrustade för användning under vattnet.
- Hittills har den allmänna trenden varit att använda traditionella kiselceller, som vi visar är långt ifrån idealiska när du går till ett betydande djup eftersom kisel absorberar en stor mängd rött och infrarött ljus, som också absorberas av vatten - särskilt vid stora djup, säger Jason A. Röhr, en postdoktorell forskare i professor André D. Taylor's laboratorium för transformativa material och apparater vid Tandon School of Engineering vid New York University och en författare till studien. "Med våra riktlinjer kan mer optimala material utvecklas."
Undervattensfordon, som de som används för att utforska abyssalhavet, är för närvarande begränsade av landström eller ineffektiva batterier ombord, vilket förhindrar resor över längre avstånd och tidsperioder. Men medan solcellsteknologi som redan har tagit fart på land och i yttre rymden skulle kunna ge dessa undervattnar mer frihet att ströva, presenterar den vattniga världen unika utmaningar. Vattnet sprider och absorberar mycket av det synliga ljusspektrumet och blöter upp röda solvåglängder även på grunt djup innan kiselbaserade solceller skulle ha en chans att fånga dem.
De flesta tidigare försök att utveckla undervattens solceller har konstruerats av kisel eller amorf kisel, som var och en har smala bandgap som bäst passar för att absorbera ljus på land. Blått och gult ljus lyckas emellertid tränga djupt in i vattenspelaren även om andra våglängder minskar, vilket antyder att halvledare med bredare bandgap som inte finns i traditionella solceller kan ge en bättre passform för att tillföra energi under vattnet.
För att bättre förstå potentialen hos undervattenscellsceller bedömde Röhr och kollegor vattendrag som sträcker sig från de tydligaste regionerna i Atlanten och Stilla havet till en grumlig finsk sjö, med en detaljerad balansmodell för att mäta effektivitetsgränserna för solceller vid varje plats. Solceller visade sig skörda energi från solen ner till 50 meters djup i jordens klaraste vattendrag, med kyliga vatten som ytterligare förstärkte cellernas effektivitet.
Forskarnas beräkningar avslöjade att solcellabsorbenter skulle fungera bäst med ett optimalt bandgap på cirka 1,8 elektronvolt på ett djup av två meter och cirka 2,4 elektronvolt på ett djup av 50 meter. Dessa värden förblev konsekventa över alla studerade vattenkällor, vilket tyder på att solcellerna kan anpassas till specifika arbetsdjup snarare än vattenplatser.
Röhr konstaterar att billigt producerade solceller tillverkade av organiska material, som är kända för att fungera bra under svag belysning, liksom legeringar tillverkade med element från grupperna tre och fem på det periodiska bordet kan vara idealiska i djupa vatten. Och även om ämnet i halvledarna skulle skilja sig från solceller som används på land, skulle den övergripande designen förbli relativt likadan.
"Även om solskörningsmaterialet måste förändras, behöver den allmänna designen inte nödvändigtvis ändra så mycket," säger Röhr. ”Traditionella silikonsolpaneler, som de du hittar på ditt tak, är kapslade för att förbjuda miljöskador. Studier har visat att dessa paneler kan nedsänkas och drivas i vatten i månader utan att leda till betydande skador på panelerna. Liknande inkapslingsmetoder kan användas för nya solpaneler tillverkade av optimala material. " Nu när de har avslöjat vad som gör effektiva solceller under vattnet tickar planerar forskarna att börja utveckla optimala material.
"Det är här kulan börjar!" säger Röhr. ”Vi har redan undersökt okapslade organiska solceller som är mycket stabila i vatten, men vi måste fortfarande visa att dessa celler kan effektiviseras än traditionella celler. Med tanke på hur kapabla våra kollegor runt om i världen är, är vi säkra på att vi kommer att se dessa nya och spännande solceller på marknaden inom en snar framtid. ”
