Efficiëntere onderwaterzonnecellen met optimale materialen

- Mar 23, 2020-

Bron: scitechdaily


Organic Solar Cell


Er kunnen veel over het hoofd geziene organische en anorganische materialen zijn die kunnen worden gebruikt om zonlicht onder water te benutten en autonome onderwatervoertuigen efficiënt van stroom te voorzien, rapporteren onderzoekers van de New York University. Hun onderzoek, dat vandaag (18 maart 2020) in het tijdschrift Joule wordt gepubliceerd, ontwikkelt richtlijnen voor optimale band gap-waarden op een reeks waterdiepten, wat aantoont dat verschillende wide-band gap halfgeleiders, in plaats van de smalbandige halfgeleiders die worden gebruikt in traditioneel silicium zonnecellen zijn het best uitgerust voor gebruik onder water.


“Tot dusver is de algemene trend geweest om traditionele siliciumcellen te gebruiken, waarvan we laten zien dat ze verre van ideaal zijn als je eenmaal op een aanzienlijke diepte bent, aangezien silicium een ​​grote hoeveelheid rood en infrarood licht absorbeert, dat ook wordt geabsorbeerd door water - vooral bij grote diepten ”, 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 de studie. "Met onze richtlijnen kunnen meer optimale materialen worden ontwikkeld."


Underwater Solar Cell Graphical


Onderwatervoertuigen, zoals die welke worden gebruikt om de afgrond van de oceaan te verkennen, worden momenteel beperkt door stroom op het land of inefficiënte accu's aan boord, waardoor reizen over langere afstanden en tijdsperiodes wordt voorkomen. Maar terwijl zonneceltechnologie die al op het land en in de ruimte is opgestegen deze duikboten meer vrijheid zou kunnen geven om te zwerven, biedt de waterwereld unieke uitdagingen. Water verstrooit en absorbeert een groot deel van het zichtbare lichtspectrum, waardoor rode zonnegolflengten zelfs op ondiepe diepten worden geabsorbeerd voordat zonnecellen op siliciumbasis de kans zouden krijgen ze op te vangen.


De meeste eerdere pogingen om zonnecellen onder water te ontwikkelen, zijn gemaakt van silicium of amorf silicium, die elk nauwe openingen hebben die het meest geschikt zijn om licht op het land te absorberen. Blauw en geel licht dringt echter diep door in de waterkolom, zelfs als andere golflengten afnemen, wat suggereert dat halfgeleiders met bredere bandopeningen die niet in traditionele zonnecellen voorkomen, een betere pasvorm kunnen bieden voor het leveren van energie onder water.


Om het potentieel van zonnecellen onder water beter te begrijpen, hebben Röhr en collega's waterlichamen beoordeeld, variërend van de helderste regio's van de Atlantische en Stille Oceaan tot een troebel Fins meer, met behulp van een gedetailleerd evenwichtsmodel om de efficiëntielimieten voor zonnecellen bij elk te meten plaats. Zonnecellen bleken energie van de zon te oogsten tot een diepte van 50 meter in de helderste wateren van de aarde, met kille wateren die de efficiëntie van de cellen verder verhoogden.


Uit de berekeningen van de onderzoekers bleek dat zonnecelabsorbers het beste zouden werken met een optimale bandafstand 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 voor alle onderzochte 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 onder omstandigheden met weinig licht, evenals legeringen gemaakt met elementen uit groep drie en vijf op het periodiek systeem ideaal zouden kunnen zijn in diepe wateren. En hoewel de substantie van de halfgeleiders zou verschillen van de zonnecellen die op het land worden gebruikt, blijft het algehele ontwerp relatief vergelijkbaar.


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


"Hier begint het plezier!" zegt Röhr. “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, weten we zeker dat we deze nieuwe en opwindende zonnecellen in de nabije toekomst op de markt zullen zien. ”