Kilde: scitechdaily
Der kan være mange overset organiske og uorganiske materialer, der kunne bruges til at udnytte sollys under vand og effektivt drive autonome nedsænkbare køretøjer, rapporterer forskere ved New York University. Deres forskning, der offentliggøres i dag (18. marts, 2020) i tidsskriftet Joule, udvikler retningslinjer for optimale båndgapværdier på en række vandige dybder, og demonstrerer, at forskellige bredbånd mellemrumsledere snarere end de smalbånd-halvledere, der bruges i traditionel silicium solceller er bedst udstyret til undervandsbrug.
”Indtil videre har den generelle tendens 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 ved store dybder, ”siger Jason A. Röhr, en postdoktorisk forskningsassistent i professor André D. Taylor's laboratorium for transformative materialer og enheder ved Tandon School of Engineering ved New York University og en forfatter til studiet. ”Med vores retningslinjer kan der udvikles mere optimale materialer.”
Undervandsbiler, såsom dem, der bruges til at udforske abyssalhavet, er i øjeblikket begrænset af onshore-strøm eller ineffektive ombordbatterier, hvilket forhindrer rejser over længere afstande og tidsperioder. Men selv om solcelleteknologi, der allerede er begyndt på land og i det ydre rum, kunne give disse nedsænkere mere frihed til at strejfe, byder den vandige verden på unikke udfordringer. Vand spreder og absorberer meget af det synlige lysspektrum og opsænker røde solbølgelængder, selv på lave dybder, inden siliciumbaserede solceller vil have en chance for at fange dem.
De fleste tidligere forsøg på at udvikle undersøiske solceller er konstrueret af silicium eller amorf silicium, som hver har smalle båndhuller bedst egnet til at absorbere lys på land. Imidlertid formår blåt og gult lys at trænge dybt ned i vandsøjlen, selv når andre bølgelængder aftager, hvilket antyder, at halvledere med bredere båndhuller, der ikke findes i traditionelle solceller, kan give en bedre pasform til at levere energi under vand.
For bedre at forstå potentialet i undersøiske solceller vurderede Röhr og kolleger vandmasser fra de klareste regioner i Atlanterhavet og Stillehavet til en grumset finsk sø ved hjælp af en detaljeret balancemodel til at måle effektivitetsgrænserne for solceller ved hver Beliggenhed. Det viste sig, at solceller høste energi fra solen ned til 50 meters dybder i Jordens klareste vandmasser, med kølige farvande, der yderligere øgede cellernes effektivitet.
Forskernes beregninger afslørede, at solcelleabsorbenter ville fungere bedst med en optimal båndafstand på ca. 1,8 elektronvolt på en dybde på to meter og ca. 2,4 elektronvolt på en dybde på 50 meter. Disse værdier forblev konsistente på tværs af alle studerede vandkilder, hvilket antyder, at solcellerne kunne tilpasses til specifikke arbejdsdybder snarere end vandplaceringer.
Röhr bemærker, at billigt producerede solceller lavet af organiske materialer, som er kendt for at fungere godt under forhold med svagt lys, samt legeringer fremstillet med elementer fra gruppe tre og fem på det periodiske bord kunne være ideelle i dybe farvande. Og selvom halvledernes stof adskiller sig fra solceller, der bruges på land, forbliver det overordnede design relativt ens.
”Mens solhøstmaterialerne skulle ændre sig, behøver det generelle design ikke nødvendigvis at ændre så meget,” siger Röhr. ”Traditionelle siliciums solpaneler, ligesom dem, du kan finde på dit tag, er indkapslet til at forbyde miljøskader. Undersøgelser har vist, at disse paneler kan nedsænkes og betjenes i vand i flere måneder uden at have haft betydelig skade på panelerne. Lignende indkapslingsmetoder kunne anvendes til nye solpaneler lavet af optimale materialer. ” Nu, hvor de har afsløret, hvad der gør, at effektive solceller under vand tikker, planlægger forskerne at begynde at udvikle optimale materialer.
”Det er her sjovet begynder!” siger Röhr. ”Vi har allerede undersøgt ikkeindkapslede organiske solceller, som er meget stabile i vand, men vi er stadig nødt til at vise, at disse celler kan gøres mere effektive end traditionelle celler. I betragtning af hvor dygtige vores kolleger over hele verden er, er vi sikre på, at vi vil se disse nye og spændende solceller på markedet i den nærmeste fremtid. ”
