Источник: scitechdaily
Исследователи из Нью-Йоркского университета сообщают, что может быть много пропущенных органических и неорганических материалов, которые могут быть использованы для использования солнечного света под водой и для эффективной работы автономных подводных аппаратов. Их исследование, опубликованное сегодня (18 марта 2020 г.) в журнале Joule, разрабатывает руководящие принципы для оптимальных значений ширины запрещенной зоны в диапазоне глубин воды, демонстрируя, что различные широкополосные полупроводники, а не узкополосные полупроводники, используемые в традиционном кремнии солнечные батареи, лучше всего оборудованы для подводного использования.
«До сих пор общая тенденция заключалась в использовании традиционных кремниевых элементов, которые, как мы показываем, далеки от идеала, когда вы идете на значительную глубину, поскольку кремний поглощает большое количество красного и инфракрасного света, который также поглощается водой - особенно при большие глубины », - говорит Джейсон А. Рёр, научный сотрудник в лаборатории трансформирующих материалов и приборов профессора Андре Д. Тейлора в Школе инженерии им. Тандона в Нью-Йоркском университете и автор исследования. «С нашими рекомендациями можно разработать более оптимальные материалы».
Подводные транспортные средства, такие как те, что использовались для исследования бездны в океане, в настоящее время ограничены мощностью на суше или неэффективными бортовыми батареями, что препятствует путешествию на большие расстояния и в разные периоды времени. Но в то время как технология солнечных батарей, которая уже взлетела на суше и в космосе, могла бы дать этим подводным лодкам больше свободы передвижения, водный мир представляет уникальные проблемы. Вода рассеивает и поглощает большую часть спектра видимого света, впитывая красные солнечные волны даже на небольших глубинах, прежде чем солнечные элементы на основе кремния смогут захватить их.
Большинство предыдущих попыток разработки подводных солнечных элементов были построены из кремния или аморфного кремния, каждый из которых имеет узкие запрещенные зоны, лучше всего подходящие для поглощения света на суше. Тем не менее, синий и желтый свет проникают глубоко в толщу воды, даже когда уменьшаются другие длины волн, предполагая, что полупроводники с более широкими запрещенными зонами, которых нет в традиционных солнечных элементах, могут лучше подходить для подачи энергии под водой.
Чтобы лучше понять потенциал подводных солнечных элементов, Рёр и его коллеги провели оценку водоемов от самых чистых районов Атлантического и Тихого океанов до мутного финского озера, используя модель детального баланса для измерения пределов эффективности для солнечных элементов на каждом место нахождения. Было показано, что солнечные элементы собирают энергию от солнца до глубины 50 метров в самых чистых водоемах Земли, а холодные воды еще больше повышают эффективность клеток.
Расчеты исследователей показали, что поглотители солнечных элементов будут работать лучше всего с оптимальной шириной запрещенной зоны около 1,8 электронвольт на глубине двух метров и около 2,4 электронвольт на глубине 50 метров. Эти значения оставались неизменными во всех изученных источниках воды, что позволяет предположить, что солнечные элементы могут быть адаптированы к конкретной рабочей глубине, а не к местам нахождения воды.
Рёр отмечает, что дешевые солнечные элементы, изготовленные из органических материалов, которые, как известно, хорошо работают в условиях слабого освещения, а также сплавы, изготовленные с элементами из групп три и пять в периодической таблице, могут быть идеальными в глубоких водах. И хотя вещество полупроводников будет отличаться от солнечных элементов, используемых на суше, общий дизайн останется относительно похожим.
«В то время как материалы для уборки солнца должны были бы измениться, общий дизайн не обязательно должен был бы так сильно измениться, - говорит Рер. «Традиционные кремниевые солнечные панели, такие как те, что вы можете найти на своей крыше, защищены от вредного воздействия окружающей среды. Исследования показали, что эти панели можно погружать и эксплуатировать в воде в течение нескольких месяцев без значительного повреждения панелей. Подобные методы герметизации могут быть использованы для новых солнечных панелей, изготовленных из оптимальных материалов ». Теперь, когда они обнаружили, что делает эффективными подводные солнечные батареи, исследователи планируют начать разработку оптимальных материалов.
«Здесь начинается самое интересное!» говорит Рор. «Мы уже исследовали неинкапсулированные органические солнечные элементы, которые очень стабильны в воде, но мы все еще должны показать, что эти элементы можно сделать более эффективными, чем традиционные элементы. Учитывая, на что способны наши коллеги по всему миру, мы уверены, что увидим эти новые и интересные солнечные элементы на рынке в ближайшем будущем ».
