Міжнародна дослідницька група продемонструвала принципово новий підхід до енергопостачання підводних пристроїв. Вчені опустили спеціально розроблені сонячні елементи на глибину 10 метрів у Південно-Китайське море та успішно зібрали електричну енергію для живлення датчиків, камер та систем комунікації.
Результати дослідження, опубліковані 11 вересня в журналі Joule, свідчать про те, що сонячні елементи генерували 324 міліват-години енергії під час двогодинного занурення — достатньо для заряджання літій-іонних акумуляторів. При безперервній роботі на цій глибині прилади могли б функціонувати приблизно 5,5 року.
Чому звичайні сонячні елементи не підходять для океану
Дослідник Вень-Хуа Чжан з Університету Юньнань пояснює: більшість попередніх робіт у цій галузі зосереджувалися на глибинах до двох метрів, що не відповідає потребам практичного використання. Проблема в тому, що звичайні кремнієві сонячні елементи розраховані на широкий спектр наземного світла, включаючи червоне та інфрачервоне випромінювання.
Вода поглинає ці довжини хвиль надзвичайно швидко. На глибині 5–10 метрів під поверхнею переважає синьо-зелене світло з довжинами хвиль близько 400–600 нанометрів. Саме цю особливість врахувала команда Чжана при розробці підводних сонячних елементів.
Як розв’язати проблему спектра світла
Науковці використали перовскіт із широкою забороненою зоною приблизно 1,96 еВ, оптимізований для світла, яке залишається під водою. До матеріалу додали полімер PHMG для стабілізації кристалічної структури та зменшення дефектів, що погіршують електричні властивості.
Розроблені сонячні елементи продемонстрували визначні характеристики:
- Широка ширина забороненої зони для поглинання світла від синьої до помаранчевої частини спектра
- Збереження близько 96% початкової ефективності після 300 днів зберігання
- Мінімальна деградація після 1160 годин роботи в змодельованих умовах на глибині 10 метрів
Випробування в реальних умовах
Перед розгортанням в океані команда розробила спеціальну лабораторну систему з оптичними фільтрами, налаштованими для імітації підводного освітлення на різних глибинах. Потім перовскітні сонячні елементи інтегрували з підводними роботами та развернули біля островів Вейчжоу на глибині 10 метрів.
За словами Чжана, елементи продемонстрували виняткову довготривалу стабільність. Найбільш вражаючим результатом стала кількість електроенергії, яку великогабаритні модулі генерували в реальних морських умовах лише за два години. Команда також досягла успішного масштабування від лабораторних елементів малої площі до модулів великого розміру.
Виклики для майбутнього
Незважаючи на успіх, перед дослідниками залишаються серйозні проблеми. На поверхні сонячних елементів можуть осідати морські організми, створюючи біообростання та перекриваючи доступ світла. Додаткові загрози — плаваюче сміття та корозія від солоної води, яка пошкоджує захисні шари.
Тому реальна робоча глибина залежатиме не лише від інтенсивності світла, а й від стійкості системи до морського середовища. Команда Чжана планує випробувати перовскітні сонячні елементи на більших глибинах, дослідити межу їхнього функціювання та розробити стандартизовані протоколи випробувань для підводних фотоелектричних систем.
