Kilde: scitechdaily
Det kan være mange oversett organiske og uorganiske materialer som kan brukes til å utnytte sollys under vann og effektivt drive autonome nedsenkbare kjøretøyer, melder forskere ved New York University. Deres forskning, som publiseres i dag (18. mars 2020) i tidsskriftet Joule, utvikler retningslinjer for optimale båndgapverdier på en rekke vanndybde dybder, og viser at forskjellige bredbånd gap-halvledere, snarere enn smalbånd-halvledere brukt i tradisjonell silisium solceller, er best utstyrt for bruk under vann.
"Så langt har den generelle trenden vært å bruke tradisjonelle silisiumceller, som vi viser er langt fra ideelle når du går til en betydelig dybde siden silisium absorberer en stor mengde rødt og infrarødt lys, som også absorberes av vann - spesielt ved store dybder, sier Jason A. Röhr, postdoktorisk forsker i professor André D. Taylor's laboratorium for transformasjonsmaterialer og enheter ved Tandon School of Engineering ved New York University og en forfatter på studien. "Med våre retningslinjer kan mer optimale materialer utvikles."
Undervannskjøretøyer, for eksempel de som ble brukt til å utforske abyssalhavet, er foreløpig begrenset av strøm på land eller ineffektive ombordbatterier, noe som forhindrer ferdsel over lengre avstander og tidsperioder. Men selv om solcelleteknologi som allerede har tatt fart på land og i det ytre rom, kan gi disse nedsenkbare delene mer frihet til å streife rundt, byr den vannrike verden på unike utfordringer. Vann sprer og absorberer mye av det synlige lysspekteret, og suger opp røde solbølgelengder selv på grunne dyp før silisiumbaserte solceller vil ha en sjanse til å fange dem.
De fleste tidligere forsøk på å utvikle undervanns solceller har blitt konstruert av silisium eller amorf silisium, som hver har smale båndhull som er best egnet for å absorbere lys på land. Imidlertid klarer blått og gult lys å trenge dypt ned i vannsøylen selv om andre bølgelengder avtar, noe som antyder at halvledere med bredere båndhull som ikke finnes i tradisjonelle solceller kan gi en bedre passform for å levere energi under vann.
For å bedre forstå potensialet i solceller under vann, vurderte Röhr og kolleger vannmasser fra de klareste regionene i Atlanterhavet og Stillehavet til en grumset finsk innsjø ved å bruke en detaljbalansemodell for å måle effektivitetsgrensene for solceller ved hver plassering. Solceller ble vist å høste energi fra solen ned til 50 meters dyp i jordens klareste vannmasser, med kaldt vann som ytterligere økte cellenes effektivitet.
Forskernes beregninger avslørte at solcelleabsorbenter ville fungere best med et optimalt båndgap på rundt 1,8 elektronvolt på en dybde på to meter og omtrent 2,4 elektronvolt på en dybde på 50 meter. Disse verdiene forble konsistente på tvers av alle undersøkte vannkilder, noe som tyder på at solcellene kunne tilpasses spesifikke driftsdybder i stedet for vannplasseringer.
Röhr bemerker at billig produserte solceller laget av organiske materialer, som er kjent for å fungere godt under lite lysforhold, så vel som legeringer laget av elementer fra gruppe tre og fem på det periodiske bordet, kan være ideelle på dypt vann. Og selv om stoffet i halvlederne vil avvike fra solceller som brukes på land, vil den generelle utformingen forbli relativt lik.
"Selv om solhøstingsmaterialene måtte endre seg, trenger den generelle utformingen ikke nødvendigvis å endre så mye," sier Röhr. “Tradisjonelle silisiumpaneler, som de du finner på taket ditt, er innkapslet for å forby skade på miljøet. Studier har vist at disse panelene kan nedsenkes og brukes i vann i flere måneder uten å ha betydelig skade på panelene. Lignende innkapslingsmetoder kan benyttes for nye solcellepaneler laget av optimale materialer. ” Nå som de har avdekket hva som gjør at effektive undervanns solceller tikker, planlegger forskerne å begynne å utvikle optimale materialer.
“Det er her moroa begynner!” sier Röhr. "Vi har allerede undersøkt uinnkapslede organiske solceller som er svært stabile i vann, men vi må fortsatt vise at disse cellene kan gjøres mer effektive enn tradisjonelle celler. Med tanke på hvor dyktige våre kolleger over hele verden er, er vi sikre på at vi vil se disse nye og spennende solcellene på markedet i nærmeste fremtid. ”
