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Effizientere Unterwassersolarzellen mit optimalen Materialien

Organische Solarzelle

Dieses Bild zeigt eine organische Solarzelle, die wahrscheinlich für Unterwasseranwendungen in Frage kommt, da sie wasserbeständig gemacht werden kann und bei schlechten Lichtverhältnissen eine hervorragende Leistung erbringt. Bildnachweis: Allison Kalpakci

Es kann viele übersehene organische und anorganische Materialien geben, die verwendet werden könnten, um das Sonnenlicht unter Wasser zu nutzen und autonome Tauchfahrzeuge effizient anzutreiben, berichten Forscher von New Yorker Universität. Ihre Forschung, veröffentlicht heute (18. März 2020) in der Zeitschrift Joule, entwickelt Richtlinien für optimale Bandlückenwerte in einer Reihe von Wassertiefen und zeigt, dass verschiedene Halbleiter mit breiter Bandlücke anstelle der in herkömmlichen Siliziumsolarzellen verwendeten Schmalbandhalbleiter am besten für die Verwendung unter Wasser geeignet sind.

„Bisher bestand der allgemeine Trend darin, herkömmliche Siliziumzellen zu verwenden, von denen wir zeigen, dass sie bei Erreichen einer signifikanten Tiefe alles andere als ideal sind, da Silizium eine große Menge an rotem und infrarotem Licht absorbiert, das auch von Wasser absorbiert wird – insbesondere bei große Tiefen “, sagt Jason A. Röhr, Postdoktorand im Labor für transformative Materialien und Geräte von Prof. André D. Taylor an der Tandon School of Engineering der New York University und Autor der Studie. „Mit unseren Richtlinien können optimalere Materialien entwickelt werden.“

Grafische Zusammenfassung der Unterwassersolarzelle

Diese grafische Zusammenfassung zeigt, wie Unterwassersolarzellen in klarsten Gewässern Nutzstrom mit einem Wirkungsgrad von bis zu 65% erzeugen können. Bildnachweis: Röhr et al./Joule

Unterwasserfahrzeuge, wie sie beispielsweise zur Erkundung des Abgrundozeans eingesetzt werden, sind derzeit durch Onshore-Strom oder ineffiziente Bordbatterien begrenzt, wodurch Reisen über längere Strecken und Zeiträume verhindert werden. Während die Solarzellentechnologie, die bereits an Land und im Weltraum eingesetzt hat, diesen Tauchbooten mehr Bewegungsfreiheit geben könnte, stellt die Wasserwelt einzigartige Herausforderungen. Wasser streut und absorbiert einen Großteil des sichtbaren Lichtspektrums und nimmt rote Sonnenwellenlängen auch in geringen Tiefen auf, bevor Solarzellen auf Siliziumbasis die Möglichkeit haben, sie einzufangen.

Die meisten früheren Versuche, Unterwassersolarzellen zu entwickeln, wurden aus Silizium oder amorphem Silizium konstruiert, die jeweils schmale Bandlücken aufweisen, die am besten zur Absorption von Licht an Land geeignet sind. Blaues und gelbes Licht dringt jedoch auch bei abnehmenden anderen Wellenlängen tief in die Wassersäule ein, was darauf hindeutet, dass Halbleiter mit größeren Bandlücken, die in herkömmlichen Solarzellen nicht zu finden sind, möglicherweise besser für die Energieversorgung unter Wasser geeignet sind.

Um das Potenzial von Unterwassersolarzellen besser zu verstehen, bewerteten Röhr und Kollegen Gewässer, die von den klarsten Regionen des Atlantischen und Pazifischen Ozeans bis zu einem trüben finnischen See reichen, anhand eines detaillierten Bilanzmodells, um die Wirkungsgradgrenzen für Solarzellen zu messen Ort. Es wurde gezeigt, dass Solarzellen in den klarsten Gewässern der Erde bis zu einer Tiefe von 50 Metern Energie von der Sonne gewinnen, wobei kaltes Wasser die Effizienz der Zellen weiter steigert.

Die Berechnungen der Forscher ergaben, dass Solarzellenabsorber mit einer optimalen Bandlücke von etwa 1,8 Elektronenvolt in einer Tiefe von zwei Metern und etwa 2,4 Elektronenvolt in einer Tiefe von 50 Metern am besten funktionieren würden. Diese Werte blieben über alle untersuchten Wasserquellen hinweg konsistent, was darauf hindeutet, dass die Solarzellen eher auf bestimmte Betriebstiefen als auf Wasserstandorte zugeschnitten werden könnten.

Röhr merkt an, dass billig hergestellte Solarzellen aus organischen Materialien, von denen bekannt ist, dass sie unter schlechten Lichtbedingungen eine gute Leistung erbringen, sowie Legierungen, die mit Elementen der Gruppen drei und fünf des Periodensystems hergestellt wurden, in tiefen Gewässern ideal sein könnten. Und während sich die Substanz der Halbleiter von den an Land verwendeten Solarzellen unterscheiden würde, würde das Gesamtdesign relativ ähnlich bleiben.

„Während sich die Materialien für die Sonnenernte ändern müssten, müsste sich das allgemeine Design nicht unbedingt so stark ändern“, sagt Röhr. „Herkömmliche Silizium-Solarmodule, wie sie auf Ihrem Dach zu finden sind, sind gekapselt, um Umweltschäden zu vermeiden. Studien haben gezeigt, dass diese Paneele monatelang in Wasser getaucht und betrieben werden können, ohne dass die Paneele erheblich beschädigt werden. Ähnliche Verkapselungsmethoden könnten für neue Solarmodule aus optimalen Materialien angewendet werden. “ Nachdem sie herausgefunden haben, was effektive Unterwassersolarzellen tickt, planen die Forscher, optimale Materialien zu entwickeln.

“Hier beginnt der Spaß!” sagt Röhr. „Wir haben bereits nicht eingekapselte organische Solarzellen untersucht, die in Wasser sehr stabil sind, aber wir müssen noch zeigen, dass diese Zellen effizienter als herkömmliche Zellen gemacht werden können. Angesichts der Leistungsfähigkeit unserer Kollegen auf der ganzen Welt sind wir sicher, dass wir diese neuen und aufregenden Solarzellen in naher Zukunft auf dem Markt sehen werden. “

Referenz: „Wirkungsgradgrenzen von Unterwassersolarzellen“ von Röhr et al., 18. März 2020, Joule.
DOI: 10.1016 / j.joule.2020.02.005

Diese Arbeit wurde von der New York University unterstützt.