Технология может дать автономным подводным датчикам, камерам и роботам собственный источник энергии.
Главная проблема подводной солнечной энергетики заключается не только в том, что под водой темно. Вода быстро поглощает значительную часть солнечного излучения, причем в первую очередь исчезают длинноволновые компоненты — красный и инфракрасный свет. На глубине 5–10 метров в основном остаются более короткие сине-зеленые волны примерно в диапазоне 400–600 нм. Обычные кремниевые солнечные элементы рассчитаны на значительно более широкий спектр и поэтому под водой работают менее эффективно.
Команда из Юньнаньского университета разработала для этой задачи перовскитные фотоэлементы с широкой запрещенной зоной. Такой материал позволяет настроить солнечный элемент на тот спектр, который действительно доходит до него под водой. Дополнительно исследователи использовали полимер полигексаметиленгуанидин гидрохлорид, который помогает улучшить перенос электронов и стабильность перовскитного материала.
В лабораторных экспериментах при освещении спектром, соответствующим условиям на глубине 10 метров, фотоэлементы достигли эффективности преобразования света в электричество 34,71%. Для сравнения, при обычном наземном солнечном спектре их эффективность составляла 17,08%. Это не означает, что под водой они производят больше энергии: интенсивность света там гораздо ниже. Высокий показатель отражает то, насколько хорошо материал использует именно тот свет, который способен проникнуть сквозь воду.
Затем технологию проверили уже в море. Исследователи установили крупноформатные модули на подводных роботах и погрузили их на 10 метров у островов Вэйчжоу в Южно-Китайском море. За два часа работы модули выработали 324 мВт·ч — достаточно, чтобы зарядить литий-ионные аккумуляторы и питать светодиоды. Для сравнения, на глубине 2 метров те же элементы площадью 115 см² произвели за два часа 1416 мВт·ч.
Отдельно ученые проверили устойчивость элементов. В ускоренных испытаниях они практически не деградировали после 1160 часов работы в условиях, имитирующих глубину 10 метров. На основании испытаний исследователи оценивают потенциальный срок непрерывной работы под водой примерно в 5,5 года при температуре 25 °C и глубине 10 метров. Это пока расчетная оценка долговечности, а не подтвержденный пятилетним натурным испытанием срок службы.
Практическое значение технологии связано прежде всего с устройствами, которым приходится долго работать вдали от берега. Подводные сенсоры, камеры и системы связи обычно зависят от аккумуляторов, кабелей или регулярного обслуживания. Если часть необходимой энергии они смогут получать непосредственно из солнечного света, это позволит увеличить продолжительность автономной работы и расширить районы наблюдений за морской средой.
При этом 10 метров — не предел, установленный физикой, а глубина, на которой технология уже прошла полевые испытания. Исследователи планируют проверить ее работу на большей глубине и определить реальный предел использования подводной фотоэлектрики. Одна из будущих задач — разработать стандартизированные методы испытаний таких солнечных элементов в морской среде.
