Аннотация:
Выработка солнечной энергии под водой уже давно рассматривается научным сообществом как непреодолимая инженерная запретная зона из-за сильного ослабления света и проблем водной эрозии. Однако последние научные исследования опровергают это традиционное понимание. Адаптируя дизайн новых перовскитных фотоэлектрических материалов, многонациональная научно-исследовательская группа успешно разработала солнечный элемент, который может стабильно работать в подводной среде и достигать высокой эффективности фотоэлектрического преобразования, открывая новый путь к энергетической самодостаточности для датчиков наблюдения за океаном, автономных подводных аппаратов (АПА) и сетей долгосрочного подводного мониторинга.
С точки зрения традиционных знаний, использование подводных фотоэлектрических систем сталкивается с двумя основными естественными барьерами. Во-первых, это резкое изменение спектральных характеристик. Вода, как сильная поглощающая среда, быстро поглощает большую часть спектра инфракрасного и красного света, в результате чего свет, проникающий под воду, концентрируется в основном в узкой сине-зеленой полосе. Традиционные солнечные элементы на основе кремния, предназначенные для полного спектра солнечного света, имеют крайне несогласованный спектр поглощения под водой, и их эффективность резко снижается. Второе – это вопрос материальной стабильности. Перовскитные материалы, известные своей высокой эффективностью, легко разрушаются под действием влаги. Размещение их в богатой водой или даже соленой морской среде для долгосрочной работы сталкивается с огромными физическими и химическими проблемами.
Чтобы преодолеть эти проблемы, научно-исследовательская группа изменила структуру энергетической зоны и химический состав перовскитного материала для подводного сине-зеленого светового спектра и точно отрегулировала запрещенную зону так, чтобы его пик оптического поглощения сильно перекрывался с подводным фильтрованным сине-зеленым спектром, тем самым добившись максимального захвата и преобразования энергии фотонов, проникающих в глубокую воду. В то же время исследовательская группа внесла ключевые инновации в упаковку аккумуляторов и защитные слои интерфейсов, используя новые гидрофобные полимеры и технологию многослойной плотной барьерной пленки, которая не только полностью изолирует молекулы воды и растворенные ионы солей от проникновения и коррозии перовскитного светопоглощающего слоя, но также обеспечивает эффективное преломление и попадание света на поверхность аккумулятора.
Данные экспериментальных испытаний показывают, что эта новая перовскитная подводная батарея демонстрирует эффективность фотоэлектрического преобразования и характеристики защиты от затухания, которые значительно превосходят традиционные батареи на основе кремния в условиях моделирования сине-зеленого света на разных глубинах воды. Даже в суровых условиях постоянного погружения в воду и определенного давления воды батарея может поддерживать стабильную выходную мощность в течение длительного времени, подтверждая свою техническую осуществимость в сложных реальных водных средах.
В связи с быстрым ростом мирового спроса на глубоководные исследования, морской экологический мониторинг и интеллектуальную морскую аквакультуру, проблемы с электропитанием подводного электронного оборудования становятся все более заметными. Традиционное подводное оборудование обычно использует мощные аккумуляторные блоки для питания, которые требуют частого разбора и замены или пополнения проводной связи с базовых кораблей, что делает затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание чрезвычайно высокими. Если подводную фотоэлектрическую технологию на основе перовскита можно будет в дальнейшем индустриализировать и развернуть на буях, подводных роботах и стационарных датчиках морского дна, ожидается, что подводное оборудование сможет обеспечить долгосрочное автономное электропитание на месте с помощью естественного солнечного света или даже рассеянного света с моря, что значительно расширит границы человеческих возможностей для долгосрочного и недорогого непрерывного обнаружения морской среды.
Комментарии