Mélységi sötétségben és sós tengervízben működnek a kínai kutatók által kifejlesztett víz alatti perovszkit napelemes cellák.
A tengeri mérések és víz alatti kutatások során használt autonóm robotok, valamint érzékelőhálózatok energiaellátása évtizedek óta komoly kihívást jelent. A hagyományos szilíciumalapú napelemes rendszerek a vízfelszín alatt szinte használhatatlanná válnak, mivel a víz rendkívül gyorsan elnyeli a napsugárzás vörös és infravörös tartományát. A Yunnan Egyetem szakemberei által közzétett kutatási eredmények szerint azonban a speciálisan módosított víz alatti perovszkit napelem tíz méteres mélységben is stabil villamosenergiát biztosít.
Kék fényre hangolt fényelnyelés
A víz alatti környezet spektrális összetétele gyökeresen eltér a szárazföldön megszokott fényviszonyoktól. Ahogy a napfény áthalad a vízoszlopon, az intenzitása meredeken zuhan, és főként a kék, illetve a zöld hullámhosszú fény marad meg. A fejlesztők éppen ezt a fizikai sajátosságot fordították előnyükre: a szokásosnál szélesebb tiltott sávú, mintegy 1,96 elektronvolt energiájú kristályszerkezetet terveztek. Ez a felépítés pontosan ahhoz a fénytartományhoz igazodik, amely képes behatolni a mélyebb rétegekbe.
A laboratóriumi szimulációs vizsgálatok során kiderült, hogy a tíz méteres mélységnek megfelelő optikai szűrők mögött a cellák elérték a 34,71 százalékos hatásfokot. Ez az érték lényegesen meghaladja a szokványos tengerfeletti tesztelési eredményeket. A jelenség magyarázata a víz hűtőhatásában és az elnyelési tartomány célzott szűkítésében rejlik, ami csökkenti a hőképződésből fakadó veszteségeket.
Stabilitás a korrozív közegben
A perovszkit anyagok legnagyobb gyengesége korábban a nedvességgel szembeni rendkívüli érzékenységük volt. A tengeri alkalmazáshoz nemcsak a vízzáró kapszulázásra volt szükség, hanem a kristályrács belső kémiai stabilizálására is. A kutatócsoport polihexametilén-guanidin-hidroklorid adagolásával érte el a rácshibák csökkentését és a halogénionok vándorlásának elfojtását. Ez az eljárás megakadályozza a szerkezet idő előtti lebomlását sós környezetben.
A tartóssági tesztek során a cellák 1160 órányi folyamatos szimulált víz alatti üzemelés után sem mutattak érdemi teljesítményromlást. Nitrogéngázzal feltöltött tárolóban őrizve 300 nap elteltével is megőrizték eredeti hatásfokuk 96 százalékát. A matematikai modellek alapján a szerkezet akár több mint öt éven át képes lehet folyamatos működésre a nyílt tengeren.
Gyakorlati próba a Dél-kínai-tengeren
A laboratóriumi méréseket követően a rendszert valós tengeri körülmények között, a Dél-kínai-tengerben is vizsgálták tíz méteres mélységben. A tesztek során a víz alatti perovszkit napelem modulok két óra alatt 324 milliwattóra energiát termeltek, ami elegendőnek bizonyult a tengeri kutatórobotok lítiumion-akkumulátorainak feltöltéséhez. A robotokra szerelt egységek képesek voltak energiával ellátni a fedélzeti kommunikációs eszközöket és az érzékelőket.
Korábban a víz alatti napelemes kísérletek túlnyomórészt legfeljebb kétméteres mélységig terjedtek ki, ahol a fényviszonyok még lényegesen kedvezőbbek, ám a gyakorlati felhasználás lehetőségei korlátozottak. A tízméteres tartomány elérése lehetőség nyújt arra, hogy a tengeri megfigyelőállomások, akvakultúra-monitoring rendszerek és autonóm tengeralattjárók külső akkumulátorcsere nélkül, önfenntartó módon üzemeljenek hosszabb időszakon keresztül.
