Китайски учени създадоха соларна клетка, която може да произвежда електроенергия под вода

Учени от Китай са постигнали пробив в разработването на соларни клетки за производство на електроенергия под вода, които сами по себе си лесно поглъщат фотони. Това беше огромен проблем за силициевите клетки, но се оказа по силите на перовскита. Открит преди почти 200 години в Уралските планини, благодарение на усилията на китайските учени, този минерал преодоля характерния си „страх от водата“ и успя да произвежда електроенергия дори под дебел слой вода.

За разработката в списанието Joule съобщиха изследователи от Университета в Юнан. Ключовата идея се състои не просто в използването на перовскит, а в настройването на неговите оптични свойства към синьо-зелената част от спектъра, която се запазва на дълбочина. Тъй като перовскитите позволяват промяна на ширината на забранената зона чрез химичния състав, изследователите успяха да създадат фотоелемент с широка забранена зона от около 1,96 eV, оптимизиран за разсеяна във вода светлина.

Разбира се, за изключително чувствителния към влага перовскит основният проблем се е оказал не ефективността на производството, а дълготрайността: водата разрушава структурата на такива съединения особено бързо. Изследователите са добавили в състава на материала на соларните клетки полихексаметилен гуанидин хидрохлорид (polyhexamethylene guanidine hydrochloride, PHMG), който е изпълнявал едновременно няколко функции. Той е образувал хидрофобна бариера, препятстваща проникването на вода и едновременно с това е взаимодействал с кристалната решетка на перовскита, което води до образуването на по-големи кристални елементи и е потискало миграцията на йони – а това е един от ключовите механизми за деградацията на перовскитните фотоелементи.

Експериментът е показал, че при осветление, чийто спектър съответства на условията на дълбочина от около 10 метра в океана, елементът демонстрира ефективност от около 35%, т.е. значително по-висока от типичните около 20% за силициевите соларни панели при обичайни атмосферни условия.

След създаването на напълно функционален миниатюрен модул със защитни слоеве учените са го изпробвали в морска вода. След 40 дни престой под вода фотоелементът е запазил 99,6% от първоначалната си ефективност. По този начин, според прогнозите, това осигурява около 5,5 години експлоатация с допустимо намаляване на ефективността до 80% от първоначалната. След това прототипът е бил тестван в Южнокитайско море, монтиран на малка платформа, способна да се задържи на зададена дълбочина. Фотоелементът е бил използван за зареждане на никел-кадмиеви акумулатори на дълбочини 2, 6 и 10 метра. На дълбочина от два метра мощността се е колебаела значително поради въздействието на вълните върху слънчевата светлина, докато на по-голяма дълбочина осветеността ставала по-стабилна вследствие на разсейването, но в същото време и по-слаба: на 10 метра модулът е произвеждал малко по-малко от 1/4 от енергията, която е произвеждал на дълбочина 2 метра.

Подобни елементи няма да заменят наземните соларни електроцентрали, но ще могат на място да снабдяват с енергия автономни подводни системи, които днес са принудени да използват акумулатори или захранване от повърхността. Това могат да бъдат безпилотни подводни апарати, сензори за мониторинг на океана, елементи от подводния интернет на нещата и друга електроника с ниска мощност. И макар прототипът все още да е далеч от практическо приложение, той убедително демонстрира способността си да работи на дълбочина, а това е безценно.