Belysning af optimale materialer til høst af sollys under vandet

Der kan være mange oversete organiske og uorganiske materialer, der kan bruges til at udnytte sollys under vandet og effektivt drive autonome undervandsfartøjer, rapporterer forskere ved New York University. Deres forskning, udgivelse 18. marts i tidsskriftet Joule , udvikler retningslinjer for optimale båndgab-værdier ved en række vanddybder, demonstrerer, at forskellige bredbåndsgab-halvledere, snarere end de smalbåndede halvledere, der bruges i traditionelle siliciumsolceller, er bedst udstyret til undervandsbrug.

"Indtil nu, den generelle tendens har været at bruge traditionelle siliciumceller, som vi viser er langt fra ideelle, når du går til en betydelig dybde, da silicium absorberer en stor mængde rødt og infrarødt lys, som også absorberes af vand - især på store dybder, " siger Jason A. Röhr, en postdoktoral forskningsmedarbejder i prof. André D. Taylors laboratorium for transformative materialer og enheder ved Tandon School of Engineering ved New York University og en forfatter til undersøgelsen. "Med vores retningslinjer, mere optimale materialer kan udvikles."

Undervandsfartøjer, som dem, der bruges til at udforske det afgrundshav, er i øjeblikket begrænset af landstrøm eller ineffektive batterier om bord, forhindrer rejser over længere afstande og perioder. Men mens solcelleteknologi, der allerede er lettet på land og i det ydre rum, kunne give disse undervandsfartøjer mere frihed til at strejfe, den vandrige verden byder på unikke udfordringer. Vand spreder og absorberer meget af det synlige lysspektrum, opsuge røde solbølgelængder selv på lave dybder, før siliciumbaserede solceller ville have en chance for at fange dem.

De fleste tidligere forsøg på at udvikle undervandssolceller er blevet konstrueret af silicium eller amorft silicium, som hver har smalle båndspalter, der er bedst egnet til at absorbere lys på land. Imidlertid, blåt og gult lys formår at trænge dybt ind i vandsøjlen, selvom andre bølgelængder aftager, at foreslå halvledere med bredere båndgab, der ikke findes i traditionelle solceller, kan give en bedre egnethed til at levere energi under vandet.

For bedre at forstå potentialet i undervandssolceller, Röhr og kolleger vurderede vandområder lige fra de klareste områder af Atlanterhavet og Stillehavet til en grumset finsk sø, ved hjælp af en detaljeret balancemodel til at måle effektivitetsgrænserne for solceller på hvert sted. Solceller viste sig at høste energi fra solen ned til 50 meters dybde i jordens klareste vandmasser, med køligt vand, der øger cellernes effektivitet yderligere.

Forskernes beregninger viste, at solcelleabsorbere ville fungere bedst med et optimalt båndgab på omkring 1,8 elektronvolt i en dybde på to meter og omkring 2,4 elektronvolt i en dybde på 50 meter. Disse værdier forblev konsistente på tværs af alle undersøgte vandkilder, antyder, at solcellerne kunne skræddersyes til specifikke arbejdsdybder frem for vandsteder.

Röhr bemærker, at billigt producerede solceller fremstillet af organiske materialer, som er kendt for at fungere godt under dårlige lysforhold, samt legeringer lavet med grundstoffer fra gruppe tre og fem i det periodiske system kunne være ideelle på dybt vand. Og mens stoffet i halvlederne ville adskille sig fra solceller, der bruges på land, det overordnede design ville forblive relativt ens.

"Mens materialerne til solhøst skulle ændres, det generelle design behøver ikke nødvendigvis at ændre sig så meget, " siger Röhr. "Traditionelle silicium solpaneler, som dem du kan finde på dit tag, er indkapslet for at forhindre skader fra miljøet. Undersøgelser har vist, at disse paneler kan nedsænkes og betjenes i vand i månedsvis uden at pådrage sig væsentlige skader på panelerne. Lignende indkapslingsmetoder kunne anvendes til nye solpaneler lavet af optimale materialer." Nu hvor de har afsløret, hvad der får effektive undervandssolceller til at tikke, forskerne planlægger at begynde at udvikle optimale materialer.

"Det er her det sjove begynder!" siger Röhr. "Vi har allerede undersøgt uindkapslede organiske solceller, som er meget stabile i vand, men vi mangler stadig at vise, at disse celler kan gøres mere effektive end traditionelle celler. I betragtning af hvor dygtige vores kolleger rundt om i verden er, vi er sikre på, at vi vil se disse nye og spændende solceller på markedet i den nærmeste fremtid."