Китайские ученые впервые испытали перовскитную солнечную установку в открытом море на глубине 10 метров. Даже при таком слабом освещении система смогла вырабатывать электричество, заряжать аккумуляторы и питать светодиодную панель. Разработка может стать основой для автономных источников энергии подводных роботов, датчиков и других устройств.

Работу команды Юньнаньского университета опубликовали 11 сентября в журнале Joule. Главная проблема, которую исследователям пришлось решить, — резко меняющийся спектр солнечного света под водой.

На глубине 10 метров остается около 10% солнечного света

Солнечная энергия кажется очевидным источником питания для подводных устройств, но на практике использовать ее значительно сложнее. Вода быстро поглощает солнечный свет, поэтому уже на глубине 10 метров доходит лишь около 10% его исходной интенсивности.

При этом красная часть спектра, в которой обычные кремниевые солнечные элементы работают особенно эффективно, почти полностью поглощается водой. Под водой остается преимущественно сине-зеленый свет — именно под него исследователи и подбирали материал для новых солнечных элементов.

Команда использовала перовскитные фотоэлементы на основе галогенида свинца с широкой запрещенной зоной около 1,96 электрон-вольта. Такой материал можно настраивать под определенный диапазон света, а сами перовскиты способны эффективно работать при слабом освещении.

Но у технологии есть серьезная проблема: морская вода неблагоприятна для перовскитных элементов. Коррозия, давление и проникновение воды через защитную оболочку могут быстро вывести их из строя. Кроме того, содержащийся в элементах свинец создает дополнительный риск при повреждении конструкции.

Ученые защитили элементы от морской воды

Чтобы повысить стабильность материала, исследователи добавили в перовскит полигексаметиленгуанидин гидрохлорид — PHMG, который использовали как добавку для улучшения кристаллизации.

Сам солнечный элемент получил многослойную защиту. В ее состав вошли бутилкаучук и защитное стекло, а внешним слоем стал прозрачный эпоксидный полимер. Такая конструкция одновременно должна препятствовать проникновению воды, выдерживать давление и защищать материал от коррозии.

В лабораторном эксперименте небольшая ячейка площадью 0,0895 кв. см при имитации освещения на глубине 10 метров достигла эффективности преобразования энергии 34,71%. У более крупного модуля площадью 28,79 кв. см показатель составил 29,4%.

Исследователи также проверили долговечность конструкции. После 1000 часов непрерывного погружения в освещенной морской воде при условиях, соответствующих глубине 10 метров, элемент сохранил 99,58% первоначальной эффективности.

Расчеты дали еще более продолжительную оценку. При температуре 25 градусов Цельсия расчетный показатель T80 составил 48 094 часа. Это означает, что при заданных условиях элемент теоретически способен сохранять не менее 80% первоначальной мощности примерно в течение 5,5 года.

Подводный робот зарядил аккумулятор на глубине 10 метров

Одних лабораторных экспериментов ученым было недостаточно. Команда провела испытания в море около острова Вэйчжоу в Южно-Китайском море, установив перовскитные модули на подводного робота.

Система работала на трех глубинах — 2, 6 и 10 метров. За два часа освещения она накопила соответственно 1416, 752 и 324 мВт·ч энергии, заряжая литий-ионные аккумуляторы. На глубине 10 метров выработанной энергии оказалось достаточно, чтобы включить светодиодную панель.

Таким образом, эксперимент показал не только способность отдельного фотоэлемента работать под водой, но и возможность собрать из него функционирующую систему питания.

«Предыдущие подводные солнечные элементы работали на очень небольшой глубине — всего до 2 метров, что далеко от практического применения», — отметил профессор Юньнаньского университета Чжан Вэньхуа. По его словам, новая работа впервые продемонстрировала функционирование погруженных солнечных элементов на глубине около 10 метров.

Зачем подводным устройствам собственная солнечная электростанция

Автономный источник энергии особенно важен для техники, которая должна долго работать под водой без постоянного возвращения на поверхность или подключения к внешнему источнику питания.

Авторы работы рассматривают несколько потенциальных применений технологии: подводные датчики и детекторы, камеры, системы связи, роботы и подводные аппараты. Солнечные модули могут выступать для них в качестве постоянно работающих энергетических узлов, позволяя дольше оставаться в море без обслуживания.

При этом речь пока не идет о создании полноценной подводной электростанции, способной обеспечивать энергией крупные объекты. Испытанная система была небольшой, а ее задача заключалась в демонстрации принципиальной работоспособности технологии в реальных морских условиях.

Тем не менее эксперимент показывает, что солнечная энергетика может работать там, где обычные солнечные панели практически бесполезны. Перовскит позволяет использовать оставшийся под водой сине-зеленый свет, а многослойная защита решает часть проблем, связанных с морской водой.

Если технология выдержит дальнейшее масштабирование и длительную эксплуатацию, подводные роботы и сенсоры смогут получать энергию непосредственно из окружающей среды, превращаясь из устройств с ограниченным запасом батареи в более автономные системы.