21 września 2026 r- W ramach znaczącego postępu w dziedzinie morskiej energii odnawialnej badacze z Chin i Szwajcarii z powodzeniem zademonstrowali perowskitowe ogniwa słoneczne, które mogą działać na głębokości 10 metrów pod powierzchnią oceanu i wytwarzać energię elektryczną wystarczającą do ładowania akumulatorów litowo-jonowych pod wodą. Wyniki opublikowano 11 września w czasopiśmie Cell PressDżul, stanowią pierwszą walidację funkcjonalną zanurzonych ogniw słonecznych na głębokości odpowiedniej do zastosowań praktycznych.
Poza płytkimi wodami
Przez wiele lat energię słoneczną wykorzystywano na lądzie w postaci ogniw słonecznych i powiązanych technologii, ale gromadzenie energii słonecznej pod wodą jest bardzo skomplikowane. Światło w wodzie słabnie w bardzo szybkim tempie, a pod wodą pojawiają się różne kolory światła. Poprzednie testy dotyczące podwodnej energii słonecznej przeprowadzono na maksymalnej głębokości dwóch metrów, co wciąż jest dalekie od realizmu w kontekście rzeczywistego zastosowania.
„Doniesiono o bardzo niewielu badaniach dotyczących podwodnych ogniw słonecznych, a wszystkie skupiają się na bardzo płytkich wodach o głębokości zaledwie dwóch metrów lub mniej” – powiedziała Wen-Hua Zhang z Uniwersytetu Yunnan i Southwest United Graduate School w Kunming w Chinach, która kierowała badaniem. „Niniejsza praca przedstawia pierwszą walidację funkcjonalną zanurzonych ogniw słonecznych pracujących w praktyce na głębokości do około 10 metrów, znacznie poszerzając zakres ich zastosowań.”
Zespół badawczy, w skład którego wchodzili także badacze ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie (EPFL), stawił czoła temu wyzwaniu, stosując strategię dotyczącą materiałów i urządzeń skupioną na perowskitowych ogniwach słonecznych o szerokim paśmie wzbronionym.
Perowskity o szerokim paśmie wzbronionym: strojenie pod kątem światła podwodnego
Naukowcy zastosowali perowskity halogenkowo-ołowiowe o pasmie wzbronionym około 1,96 eV, specjalnie zaprojektowane do pochłaniania widma światła od niebieskiego do pomarańczowego, które dominuje na głębokościach od 5 do 10 metrów. Kluczową innowacją było wprowadzenie chlorowodorku poliheksametylenu guanidyny (PHMG) jako dodatku krystalizującego. Dodatek ten moduluje poziomy energii w materiale perowskitowym, hamuje migrację jonów halogenkowych, zmniejsza gęstość defektów i poprawia czynniki krytyczne dla stabilności sieci w celu zapewnienia trwałej pracy pod wodą.
Aby dokładnie ocenić działanie urządzenia w warunkach zanurzenia, zespół opracował dostosowany do potrzeb system laboratoryjny wyposażony w dostosowane filtry optyczne do symulacji oświetlenia podwodnego na różnych głębokościach.
Imponujące wskaźniki wydajności
Wyniki były uderzające. W symulowanym oświetleniu z głębokości 10 metrów zanurzone perowskitowe ogniwa słoneczne osiągnęły sprawność konwersji energii na poziomie 34,71%. Przy standardowym oświetleniu słonecznym AM 1,5G ogniwa osiągnęły sprawność na poziomie 17,08%, a najlepsze urządzenia uzyskały certyfikat na poziomie 16,79%.
Wyniki testów stabilności były równie optymistyczne. Stwierdzono, że panele słoneczne przechowywane w komorze rękawicowej wypełnionej azotem przez 300 dni w temperaturze pokojowej zachowały około 96% swojej początkowej sprawności. Ponadto po 1160 godzinach pracy w symulowanych warunkach imitujących sytuację na głębokości 10 m nie stwierdzono żadnego rozkładu. Co więcej, w testach przyspieszonego starzenia oszacowano, że żywotność T80 wynosi 48 094 godzin (czyli około 5,49 lat) w temperaturze 25 stopni w symulowanym środowisku zanurzonym.
Z laboratorium do Morza Południowochińskiego
Zespół przeszedł od walidacji laboratoryjnej do badań terenowych. Przygotowali wielkopowierzchniowe perowskitowe moduły fotowoltaiczne i zintegrowali je z podwodną robotyką. Systemy testowano na głębokościach 2, 6 i 10 metrów w wodach wysp Weizhou na Morzu Południowochińskim.
Wyniki uzyskane w terenie potwierdziły z dużą dokładnością wyniki badań laboratoryjnych. Głębokości pozwoliły na pozyskanie energii elektrycznej o wartości 1416 MWh z głębokości 2 metrów w czasie 2 godzin. Na 6 metrach liczba ta spadła do 752 mWh, a na 10 metrach dalej do 324 MWh – co wystarczy do ładowania akumulatorów litowo-jonowych i diod LED mocy.
„Najbardziej zaskoczyło nas tak dużo energii elektrycznej, jaką nasze wielkopowierzchniowe moduły wygenerowały w rzeczywistych warunkach na głębokości 10 metrów tylko przez dwie godziny” – powiedział Zhang. „Co więcej, osiągnęliśmy skalę od ogniw laboratoryjnych o małej powierzchni do modułów o dużych rozmiarach. Połączenie badań laboratoryjnych i eksperymentów w terenie dostarcza mocnych dowodów na działanie podwodnej fotowoltaiki”.
Ścieżka w kierunku samowystarczalnej energii morskiej
Odkrycie to ma poważne konsekwencje w różnych obszarach. Ogniwa słoneczne zanurzone w wodzie mogą być źródłem niezależnej energii dla zanurzonych w wodzie narzędzi odpowiedzialnych za monitorowanie akwakultury, systemów komunikacji, autonomicznych jednostek podwodnych i kamer. Według Zhanga zanurzone urządzenia słoneczne mogą umożliwić okrętom podwodnym i autonomicznym pojazdom podwodnym pokonywanie znacznie większych odległości i dłuższych misji niż obecnie.
Badanie zostało wsparte przez stypendystę Yunling z prowincji Yunnan i Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych. Zespół Zhanga planuje kontynuować testowanie perowskitowych ogniw słonecznych na większych głębokościach wody, badając ograniczenia operacyjne podwodnej fotowoltaiki i ustanawiając ustandaryzowane protokoły testowania dla tej rozwijającej się dziedziny.
Biorąc pod uwagę, że ponad 70% powierzchni planety składa się z wody, wydobycie energii słonecznej ukrytej pod powierzchnią morza otwiera ogromne, nieprzewidywalne możliwości produkcji zielonej energii. Niemniej jednak pozostałe problemy, takie jak biozanieczyszczenia i długoterminowy wpływ na ekologię morza, nie zostały jeszcze rozwiązane, ale pomyślna demonstracja skutecznych podwodnych ogniw słonecznych na głębokości 10 metrów jest niezwykle ważnym kamieniem milowym w kierunku stworzenia samowystarczalnych morskich systemów energetycznych.
