Energia solară ar putea avea, în viitor, aplicații și în locuri în care în mod normal nu ne-am aștepta să găsim panouri fotovoltaice. O echipă internațională de cercetători a demonstrat că celulele solare pe bază de perovskit pot produce electricitate chiar și la 10 metri sub suprafața mării.

Experimentul a fost realizat în Marea Chinei de Sud, în apropierea insulei Weizhou, iar rezultatele au fost publicate în revista științifică Joule. Cercetarea urmărește o problemă importantă pentru echipamentele care funcționează sub apă: cum pot fi alimentate cu energie fără cabluri sau schimbarea frecventă a bateriilor.

Cum poate funcționa energia solară sub apă

Problema principală nu este faptul că lumina soarelui nu poate ajunge sub apă, ci spectrul de lumină care reușește să pătrundă până la anumite adâncimi.

Apa absoarbe o mare parte din lungimile de undă mai mari, în special lumina roșie și infraroșie. La adâncimi de aproximativ 5–10 metri, lumina disponibilă este concentrată în special în zona albastru-verde, cu lungimi de undă de aproximativ 400–600 nanometri.

Cercetătorii au conceput celulele fotovoltaice tocmai pentru acest tip de lumină. În locul unei celule solare convenționale, au folosit un material pe bază de perovskit cu halogenuri de plumb, cu o bandă interzisă largă, de aproximativ 1,96 electron-volți.

Rezultatul este o celulă capabilă să folosească mai eficient puțina lumină care rămâne disponibilă sub apă.

O eficiență de peste 34% în condițiile simulate la 10 metri

În laborator, celulele au fost testate folosind un sistem special conceput pentru a reproduce spectrul luminii întâlnit la diferite adâncimi.

În condiții standard de iluminare solară, celulele au atins o eficiență de conversie de aproximativ 17,08%. Atunci când au fost testate cu spectrul luminos simulat pentru o adâncime de 10 metri, eficiența a crescut la 34,71%.

Cifra poate părea spectaculoasă, dar este importantă o diferență: eficiența nu înseamnă cantitatea totală de energie disponibilă.

La 10 metri adâncime ajunge mult mai puțină lumină decât la suprafață. Prin urmare, faptul că celula transformă 34,71% din energia luminoasă disponibilă în electricitate nu înseamnă că un astfel de sistem produce mai multă energie decât un panou solar amplasat în plin soare.

Avantajul tehnologiei este că poate valorifica eficient un spectru luminos care ar fi mai dificil de folosit de o celulă convențională.

Testul în mare: electricitate produsă la 2, 6 și 10 metri

După experimentele de laborator, cercetătorii au trecut la testarea în condiții reale.

Module fotovoltaice cu o suprafață activă de aproximativ 115 cm² au fost instalate pe roboți subacvatici și coborâte în Marea Chinei de Sud, în apropierea insulei Weizhou. Testele au fost realizate la adâncimi de 2, 6 și 10 metri.

Într-un interval de două ore de iluminare solară, modulele au produs:

• 1.416 mWh la 2 metri adâncime;
• 752 mWh la 6 metri;
• 324 mWh la 10 metri.

Energia produsă la cea mai mare adâncime a fost suficientă pentru încărcarea unor baterii litiu-ion și alimentarea unor LED-uri.

Aceste valori nu sunt, evident, suficiente pentru alimentarea unei locuințe sau a unei instalații industriale. Scopul cercetării este diferit.

La ce ar putea fi folosite panourile solare subacvatice

Una dintre cele mai interesante aplicații este alimentarea echipamentelor care trebuie să funcționeze perioade lungi de timp sub apă.

Cercetătorii indică posibilitatea utilizării acestei tehnologii pentru senzori, camere, sisteme de comunicații, echipamente pentru monitorizarea oceanelor și roboți autonomi subacvatici.

În astfel de situații, chiar și o cantitate relativ mică de energie poate fi utilă dacă este produsă constant.

Un senzor aflat la câțiva metri sub apă, de exemplu, nu are nevoie neapărat de sute de wați. Dacă își poate încărca periodic bateria folosind lumina disponibilă în mediul în care se află, intervalul dintre operațiunile de întreținere poate fi mai mare.

Aceeași idee poate fi aplicată roboților subacvatici sau altor dispozitive autonome care trebuie să rămână în apă pentru perioade îndelungate.

Cât timp ar putea rezista celulele?

Durabilitatea este una dintre provocările importante ale tehnologiei pe bază de perovskit.

În cazul acestui experiment, cercetătorii au obținut rezultate promițătoare. În teste accelerate, celulele au prezentat o degradare redusă în condițiile simulate pentru o adâncime de 10 metri, iar modelarea cercetătorilor indică o durată până la atingerea a 80% din performanța inițială de aproximativ 5,5 ani în condițiile respective.

Este însă important să nu confundăm această estimare cu o demonstrație că panourile vor funcționa efectiv 5,5 ani în orice mediu marin.

Apa sărată, coroziunea, presiunea, particulele din apă și organismele marine care se pot depune pe suprafața panourilor pot modifica semnificativ performanța în timp. Cercetătorii mai au, prin urmare, de verificat comportamentul tehnologiei pe perioade mult mai lungi și în condiții marine diferite.

Nu este încă vorba despre „parcuri solare” sub ocean

Rezultatul cercetării este important pentru că demonstrează că producerea de energie solară sub apă poate funcționa la o adâncime de 10 metri în condiții reale.

Dar asta nu înseamnă că următorul pas va fi construirea unor ferme fotovoltaice pe fundul mării.

În prezent, tehnologia are mai mult sens pentru alimentarea locală a unor dispozitive cu consum redus, acolo unde accesul la o sursă convențională de energie este dificil.

Studiul publicat în Joule arată că modulele de dimensiuni mai mari au putut produce electricitate în condiții reale, iar autorii consideră că rezultatele pot deschide drumul către sisteme energetice autonome pentru aplicații marine.

De la un experiment reușit până la o tehnologie comercială este însă un drum lung. Sunt necesare teste suplimentare privind rezistența materialelor, funcționarea pe termen lung, protecția împotriva mediului marin și extinderea tehnologiei la module mai mari.

Pentru moment, cercetarea arată însă că energia solară nu trebuie să se oprească la suprafața apei. Cu materiale adaptate spectrului luminos subacvatic, chiar și lumina care ajunge la 10 metri adâncime poate fi transformată în electricitate.

Surse

• Studiul științific publicat în revista Joule: „Submerged solar harvesting with wide-band-gap perovskites for autonomous underwater energy systems”.
• Comunicat Cell Press / EurekAlert despre cercetare și testele realizate în Marea Chinei de Sud.
• pv magazine, informații despre tehnologia perovskit și testele la 10 metri adâncime.
• IEEE Spectrum, explicații despre funcționarea celulelor și potențialele aplicații subacvatice.
• Playtech, articolul care a prezentat în România rezultatele cercetării.