Er kunnen veel organische en anorganische materialen over het hoofd worden gezien die kunnen worden gebruikt om zonlicht onder water te benutten en autonome onderwatervoertuigen efficiënt aan te drijven, rapporteren onderzoekers van de New York University. Hun onderzoek, publicatie 18 maart in het tijdschrift Joule , ontwikkelt richtlijnen voor optimale band gap-waarden op verschillende waterige diepten, waaruit blijkt dat verschillende halfgeleiders met een brede bandafstand, in plaats van de smalbandige halfgeleiders die worden gebruikt in traditionele siliciumzonnecellen, zijn het best uitgerust voor gebruik onder water.

"Tot dusver, de algemene trend was om traditionele siliciumcellen te gebruiken, waarvan we laten zien dat ze verre van ideaal zijn als je eenmaal naar een aanzienlijke diepte gaat, omdat silicium een ​​grote hoeveelheid rood en infrarood licht absorbeert, die ook door water wordt geabsorbeerd, vooral op grote diepte, " zegt Jason A. Röhr, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het laboratorium Transformative Materials and Devices van prof. André D. Taylor aan de Tandon School of Engineering aan de New York University en een auteur van het onderzoek. "Met onze richtlijnen er kunnen meer optimale materialen worden ontwikkeld."

Onderwater voertuigen, zoals die gebruikt worden om de abyssale oceaan te verkennen, worden momenteel beperkt door walstroom of inefficiënte boordbatterijen, het voorkomen van reizen over langere afstanden en perioden. Maar terwijl zonneceltechnologie die al op het land en in de ruimte van de grond is gekomen, deze duikboten meer vrijheid zou kunnen geven om te zwerven, de waterige wereld biedt unieke uitdagingen. Water verstrooit en absorbeert een groot deel van het zichtbare lichtspectrum, het opnemen van rode zonnegolflengten, zelfs op ondiepe diepten, voordat op silicium gebaseerde zonnecellen de kans zouden krijgen om ze te vangen.

De meeste eerdere pogingen om onderwaterzonnecellen te ontwikkelen zijn gemaakt van silicium of amorf silicium, die elk smalle bandopeningen hebben die het meest geschikt zijn voor het absorberen van licht op het land. Echter, blauw en geel licht slaagt erin om diep in de waterkolom door te dringen, zelfs als andere golflengten afnemen, suggereert dat halfgeleiders met grotere bandafstanden die niet worden gevonden in traditionele zonnecellen, mogelijk beter geschikt zijn voor het leveren van energie onder water.

Om het potentieel van onderwaterzonnecellen beter te begrijpen, Röhr en collega's beoordeelden waterlichamen variërend van de helderste regio's van de Atlantische en Stille Oceaan tot een troebel Fins meer, met behulp van een gedetailleerd balansmodel de efficiëntiegrenzen voor zonnecellen op elke locatie te meten. Er werd aangetoond dat zonnecellen energie van de zon oogsten tot op een diepte van 50 meter in de helderste watermassa's van de aarde. met koud water, wat de efficiëntie van de cellen verder verhoogt.

Uit de berekeningen van de onderzoekers bleek dat zonnecelabsorbers het beste werken bij een optimale band gap van ongeveer 1,8 elektronvolt op een diepte van twee meter en ongeveer 2,4 elektronvolt op een diepte van 50 meter. Deze waarden bleven consistent in alle bestudeerde waterbronnen, wat suggereert dat de zonnecellen kunnen worden aangepast aan specifieke werkdiepten in plaats van waterlocaties.

Röhr merkt op dat goedkoop geproduceerde zonnecellen gemaakt van organische materialen, waarvan bekend is dat ze goed presteren bij weinig licht, evenals legeringen gemaakt met elementen uit groep drie en vijf op het periodiek systeem zouden ideaal kunnen zijn in diep water. En hoewel de substantie van de halfgeleiders zou verschillen van zonnecellen die op het land worden gebruikt, het algehele ontwerp zou relatief vergelijkbaar blijven.

"Terwijl de materialen voor het oogsten van de zon zouden moeten veranderen, het algemene ontwerp zou niet per se zo veel hoeven te veranderen, ", zegt Röhr. "Traditionele siliciumzonnepanelen, zoals degene die je op je dak kunt vinden, zijn ingekapseld om schade door het milieu te voorkomen. Studies hebben aangetoond dat deze panelen maandenlang in water kunnen worden ondergedompeld en gebruikt zonder noemenswaardige schade aan de panelen op te lopen. Soortgelijke inkapselingsmethoden zouden kunnen worden gebruikt voor nieuwe zonnepanelen gemaakt van optimale materialen." Nu ze hebben ontdekt wat effectieve onderwaterzonnecellen maakt, de onderzoekers zijn van plan om optimale materialen te gaan ontwikkelen.

"Hier begint de pret!" zegt Rohr. "We hebben al niet-ingekapselde organische zonnecellen onderzocht die zeer stabiel zijn in water, maar we moeten nog steeds aantonen dat deze cellen efficiënter kunnen worden gemaakt dan traditionele cellen. Gezien hoe capabel onze collega's over de hele wereld zijn, we zijn er zeker van dat we deze nieuwe en opwindende zonnecellen in de nabije toekomst op de markt zullen zien."