Солнечная энергетика и океан на первый взгляд кажутся несовместимыми. Чем глубже погружается солнечная панель, тем меньше света до неё доходит, а вода одновременно создаёт ещё одну проблему: влага особенно опасна для перовскитных солнечных элементов, которые считаются одним из наиболее перспективных направлений современной фотоэлектрики.
Тем не менее китайским исследователям удалось создать перовскитные элементы, способные работать под водой. В лабораторных испытаниях при условной глубине 10 метров они преобразовывали в электричество около 35% доступного света, а затем экспериментальная панель была испытана непосредственно в Южно-Китайском море. Результаты показывают, что подводная солнечная энергетика может оказаться вполне практичным способом питания автономной морской электроники.
Почему солнечная батарея под водой — это проблема?
Солнечному элементу нужны фотоны, а вода постепенно поглощает и рассеивает солнечный свет. Поэтому с увеличением глубины спектр и интенсивность доступного излучения меняются.
Для обычной кремниевой панели это крайне неблагоприятные условия. Но перовскиты интересны именно тем, что их оптические свойства можно изменять, подбирая химический состав материала.
Перовскитные солнечные элементы используют в качестве светопоглощающего слоя материалы с особой кристаллической структурой. Они давно привлекают внимание исследователей благодаря высокой эффективности и возможности относительно гибко настраивать характеристики поглощения света. Главная проблема перовскитов — стабильность: влага, кислород, нагрев и другие факторы окружающей среды могут постепенно разрушать материал.
Для устройства, которое должно годами находиться в морской воде, эта проблема становится особенно серьёзной.
Как удалось заставить перовскит работать под водой?
Исследователи изменили химический состав перовскитного материала таким образом, чтобы он лучше поглощал те диапазоны света, которые сохраняются под водой, и одновременно медленнее деградировал в морской среде.
Кроме того, поверхность солнечного элемента покрыли водоотталкивающим слоем. Он должен ограничивать проникновение влаги к чувствительным слоям устройства.
Ещё один элемент конструкции — более крупные кристаллические структуры перовскита. Они помогают уменьшить разрушение материала и одновременно улучшить перенос электрического заряда внутри солнечного элемента. В результате исследователи смогли совместить две характеристики, которые обычно трудно получить одновременно: эффективное поглощение слабого подводного света и устойчивость к воздействию воды.
Что показали испытания на глубине 10 метров?
Первый этап эксперимента прошёл в лаборатории. Исследователи имитировали условия, соответствующие глубине около 10 метров, и проверили, сколько энергии новый элемент способен получить из слабого света.
Результат оказался неожиданно высоким: эффективность преобразования составила примерно 35%.
Для сравнения, обычные кремниевые солнечные панели в условиях яркого солнечного света у поверхности Земли обычно демонстрируют эффективность порядка 20%. Однако сравнивать эти два показателя напрямую не совсем корректно: речь идёт о совершенно разных спектральных и световых условиях. В эксперименте с перовскитом важен сам факт сохранения высокой эффективности при значительно более слабом освещении.
Лабораторные испытания также показали хорошую долговременную стабильность: по данным исследователей, элементы сохраняли большую часть первоначальной эффективности более пяти лет.
А что произошло в настоящем море?
После лабораторных экспериментов учёные перенесли разработку из контролируемых условий в реальную морскую среду.
Экспериментальную панель установили на небольшом подводном аппарате, способном поддерживать заданную глубину. Вместе с солнечным элементом на платформе разместили аккумуляторные элементы, чтобы проверить не только характеристики самого материала, но и его способность реально вырабатывать энергию для электронных устройств.
Испытания проводились на глубинах 2, 6 и 10 метров.
Интересно, что на глубине около двух метров мощность заметно колебалась. На большей глубине генерация стала стабильнее, хотя абсолютное количество энергии закономерно уменьшилось.
На отметке 10 метров панель производила менее четверти той мощности, которую она выдавала в восьми метрах над поверхностью воды. Но даже этого оказалось достаточно, чтобы продемонстрировать принципиальную возможность автономного получения электричества непосредственно под водой.
Зачем вообще нужны солнечные панели под водой?
Самое интересное начинается именно здесь. Такая технология не предназначена для замены обычных солнечных электростанций.
Зато она потенциально может решить совершенно другую задачу — питание автономных подводных устройств.
Сегодня подводные сенсоры, камеры, системы связи и роботизированные платформы должны либо периодически всплывать для подзарядки, либо получать энергию от аккумуляторов, кабелей или специальных подводных станций.
Если небольшой солнечный элемент способен постоянно получать хотя бы ограниченное количество энергии на глубине нескольких метров, это может существенно увеличить автономность оборудования.
Например, подобные системы потенциально пригодились бы для:
- подводных датчиков;
- камер наблюдения;
- оборудования для мониторинга морской среды;
- автономных систем интернета вещей (IoT);
- небольших подводных роботов;
- удалённых научных приборов.
Именно такие сценарии исследователи рассматривают как возможные применения технологии.
Почему перовскиты особенно интересны для этой задачи?
У кремния есть огромное преимущество: технология производства солнечных элементов на его основе давно отработана.
Но перовскиты обладают другой сильной стороной — их характеристики можно относительно гибко изменять.
Под водой это особенно важно. Солнечный свет, проходя через воду, постепенно теряет отдельные составляющие спектра. Поэтому идеальный подводный фотоэлемент должен быть рассчитан не просто на «меньше света», а на другой набор доступных фотонов.
Именно поэтому широкозонные перовскитные материалы (wide-bandgap perovskites) представляют интерес для подводной энергетики: их параметры можно адаптировать к спектральному составу света на определённой глубине. Исследования последних лет уже рассматривают моделирование подводного спектра и оптимизацию перовскитных элементов специально для таких условий.
До подводных электростанций ещё далеко
При всех впечатляющих результатах речь пока идёт о научном эксперименте, а не о готовой технологии для строительства подводных электростанций.
Главное ограничение очевидно: с глубиной становится всё меньше света. Поэтому мощность панели неизбежно падает. Даже если материал обладает высокой эффективностью, преобразовывать практически нечего, когда до него доходит слишком мало солнечного излучения.
Есть и другие вопросы — долговременная работа в морской воде, загрязнение поверхности, воздействие солей, механические нагрузки, биологическое обрастание и необходимость герметичной защиты электронной части.
Наконец, остаётся вопрос масштабирования. Лабораторный элемент и небольшая экспериментальная панель — не то же самое, что большая промышленная система, способная годами работать в океане практически без обслуживания.
Следующий шаг — автономные подводные системы
Тем не менее сама идея выглядит значительно реалистичнее, чем может показаться.
Исследователи не пытаются заставить солнечную панель работать на большой глубине в полной темноте. Они используют тот небольшой поток света, который всё ещё существует в верхних слоях океана, и подбирают материал специально под эти условия.
В результате солнечная энергетика потенциально может выйти за пределы привычной поверхности суши. Панель необязательно должна находиться на крыше здания или в солнечной электростанции. В будущем небольшой фотоэлемент может оказаться частью автономной подводной системы, которая годами собирает энергию, накапливает её в аккумуляторе и использует для работы датчиков или электроники.
До массового применения ещё далеко, но принцип уже продемонстрирован: солнечный свет способен питать электронику даже под толщей морской воды.
И, возможно, именно в небольших автономных устройствах, а не в гигантских электростанциях, окажется главное практическое применение этой необычной технологии.
