Учёные из Китая совершили прорыв в разработке солнечных элементов для выработки электричества под водой, которая сама легко поглощает фотоны. Это было колоссальной проблемой для кремниевых ячеек, но оказалось по силам перовскиту. Открытый без малого 200 лет назад в уральских горах минерал силами китайских учёных преодолел свойственную ему «водобоязнь» и смог вырабатывать электричество даже под толщей воды. 

Источник изображения: ИИ-генерация ChatGPT/3DNews

О разработке в журнале Joule сообщили исследователи из Университета Юньнаня (Yunnan University). Ключевая идея заключалась не просто в использовании перовскита, а в настройке его оптических свойств под сине-зелёную часть спектра, которая сохраняется на глубине. Поскольку перовскиты допускают изменение ширины запрещённой зоны за счёт химического состава, исследователи смогли создать фотоэлемент с широкой запрещённой зоной около 1,96 эВ, оптимизированный для рассеянного в воде света.

Конечно же, для чрезвычайно чувствительного к влаге перовскита главной проблемой оказалась не эффективность выработки, а долговечность: вода особенно быстро разрушает структуру таких соединений. Исследователи добавили в состав материала солнечных ячеек полигексаметиленгуанидин гидрохлорид (polyhexamethylene guanidine hydrochloride, PHMG), который выполнял сразу несколько функций. Он формировал гидрофобный барьер, препятствующий проникновению воды, и одновременно взаимодействовал с кристаллической решёткой перовскита, что вело к образованию более крупных кристаллических элементов и подавляло миграцию ионов, а это один из ключевых механизмов деградации перовскитных фотоэлементов.

Эксперимент показал, что при освещении, которое своим спектром соответствовало условиям примерно 10-метровой глубины в океане, элемент продемонстрировал эффективность около 35 %, то есть заметно выше типичных примерно 20 % для кремниевых солнечных панелей в обычных атмосферных условиях.

После создания полноценного миниатюрного модуля с защитными слоями учёные испытали его в морской воде. Через 40 суток выдержки под водой фотоэлемент сохранил 99,6 % первоначальной эффективности. Тем самым на уровне прогнозов это даёт примерно 5,5 лет эксплуатации с допустимым снижением эффективности до 80 % от начальной. Затем прототип испытали уже в Южно-Китайском море, установив его на небольшую платформу, способную удерживаться на заданной глубине. Фотоэлемент использовался для зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов на глубинах 2, 6 и 10 м. На двух метрах мощность заметно колебалась из-за воздействия волн на солнечный свет, тогда как на большей глубине освещение становилось стабильнее вследствие рассеяния, но одновременно слабее: на 10 метрах модуль выдавал немногим менее четверти энергии, которую он производил на глубине 2 м. 

Источник изображения: Yunnan University

Подобные элементы не заменят наземные солнечные электростанции, но смогут на месте снабжать энергией автономные подводные системы, которым сегодня приходится использовать аккумуляторы или подпитку с поверхности. Это могут быть необитаемые подводные аппараты, датчики мониторинга океана, элементы подводного интернета вещей и другая маломощная электроника. И хотя прототип пока далёк от практического использования, он уверенно показал способность работать на глубинах, а это дорогого стоит.