21. syyskuuta 2026- Merkittävänä edistysaskelena meren uusiutuvan energian alalla kiinalaiset ja sveitsiläiset tutkijat ovat onnistuneesti osoittaneet perovskiittisia aurinkokennoja, jotka pystyvät toimimaan 10 metriä merenpinnan alapuolella ja tuottavat tarpeeksi sähköä litiumioniakkujen lataamiseen veden alla. Tulokset julkaistiin 11. syyskuuta Cell Press -lehdessäJoule, edustavat ensimmäistä vedenalaisten aurinkokennojen toiminnallista validointia käytännön sovellusten kannalta merkityksellisellä syvyydellä.
Beyond Shallow Waters
Aurinkoenergiaa on käytetty maalla aurinkokennoissa ja niihin liittyvissä teknologioissa useiden vuosien ajan, mutta aurinkoenergian kerääminen veden alla on erittäin monimutkaista. Valo heikkenee vedessä erittäin nopeasti, ja veden alla ilmaantuu erilaisia valon värejä. Aiemmat vedenalaista aurinkovoimaa koskevat testit tehtiin enintään kahden metrin syvyyteen, mikä on vielä kaukana realistisuudesta todellisen käytön kannalta.
"Hyvin harvoja tutkimuksia on raportoitu vedenalaisista aurinkokennoista, ja ne kaikki keskittyvät erittäin matalissa vesissä, joiden syvyys on vain kaksi metriä tai vähemmän", sanoi Wen-Hua Zhang Yunnanin yliopistosta ja Southwest United Graduate Schoolista Kunmingissa Kiinassa, joka johti tutkimusta. "Tämä työ esittelee ensimmäisen toiminnallisen validoinnin upotetuille aurinkokennoille, jotka toimivat käytännössä jopa noin 10 metrin syvyydessä, mikä laajentaa huomattavasti niiden käyttöaluetta."
Tutkimusryhmä, johon kuului myös Sveitsin Federal Institute of Technology Lausannen (EPFL) tutkijoita, otti haasteen vastaan materiaali- ja laitestrategialla, joka keskittyi laajakaistaisiin perovskiittisiin aurinkokennoihin.
Leveäkaistaiset perovskiitit: Viritys vedenalaiseen valoon
Tutkijat käyttivät lyijyhalogenidiperovskiitteja, joiden kaistaväli oli noin 1,96 eV ja jotka on erityisesti suunniteltu absorboimaan 5-10 metrin syvyyksissä vallitsevaa sinistä oranssia valon spektriä. Keskeinen innovaatio oli polyheksametyleeniguanidiinihydrokloridin (PHMG) käyttöönotto kiteytyslisäaineena. Tämä lisäaine moduloi perovskiittimateriaalin energiatasoja, vaimentaa halogenidi-ionien kulkeutumista, vähentää vikojen tiheyttä ja parantaa hilan stabiilisuuden kannalta kriittisiä tekijöitä kestävää vedenalaista toimintaa varten.
Arvioidakseen tarkasti laitteen suorituskykyä vedenalaisissa olosuhteissa tiimi kehitti räätälöidyn laboratoriojärjestelmän, joka oli varustettu räätälöidyillä optisilla suodattimilla, jotka simuloivat vedenalaista valaistusta eri syvyyksissä.
Vaikuttavat suorituskykymittarit
Tulokset ovat olleet silmiinpistäviä. Simuloidussa 10 metrin syvyisessä valaistuksessa upotetut perovskiittiaurinkokennot saavuttivat 34,71 %:n tehonmuuntotehokkuuden. Normaalissa AM 1,5G aurinkovalaistuksessa kennojen hyötysuhde oli 17,08 %, ja parhaiden laitteiden sertifiointi oli 16,79 %.
Vakaustestien tulokset olivat yhtä optimistisia. Todettiin, että aurinkopaneelit, joita säilytettiin typellä täytettyyn hansikaslokeroon 300 päivää huoneenlämmössä, säilyttivät noin 96 % alkuperäisestä tehokkuudestaan. Lisäksi lahoamista ei havaittu 1 160 tunnin työskentelyn jälkeen simuloiduissa olosuhteissa, jotka jäljittelevät tilannetta 10 metrin syvyydessä. Lisäksi nopeutettujen ikääntymistestien avulla T80:n käyttöiän arvioitiin olevan 48 094 tuntia (eli noin 5,49 vuotta) 25 asteen lämpötilassa simuloidussa vedenalaisessa ympäristössä.
Laboratoriosta Etelä-Kiinan merelle
Ryhmä siirtyi laboratoriovalidoinnista kenttätutkimuksiin. He valmistivat laajan alueen perovskiittisia aurinkosähkömoduuleja ja integroivat ne vedenalaiseen robotiikkaan. Järjestelmät testattiin 2, 6 ja 10 metrin syvyydessä Weizhoun saarten vesillä Etelä-Kiinan merellä.
Kentällä saadut tulokset vahvistivat laboratoriotutkimusten tulokset suurella tarkkuudella. Syvyydet mahdollistivat 1 416 mWh sähkön saannin 2 metrin korkeudella 2 tunnin ajan. Kuuden metrin kohdalla luvut putosivat 752 mWh:iin ja edelleen 324 mWh:iin 10 metrin etäisyydellä, mikä riittää litiumioniakkujen ja LED-valojen lataamiseen.
"Se, mikä yllätti meidät eniten, oli niin paljon sähköenergiaa, jonka laaja-alaiset moduulimme tuottivat todellisissa olosuhteissa 10 metrin syvyydessä vain kahden tunnin ajan", Zhang sanoi. "Lisäksi olemme saavuttaneet skaalauksen pienen alueen laboratoriokennoista suurikokoisiin moduuleihin. Laboratoriotutkimusten ja kenttäkokeiden yhdistelmä on vahva näyttö vedenalaisen aurinkosähkön toiminnasta."
Polku kohti omavaraista merienergiaa
Tämä löytö muodostaa merkittäviä seurauksia eri alueilla. Veteen upotetut aurinkokennot voivat olla riippumattoman energian lähde veteen upotetuille työkaluille, jotka vastaavat vesiviljelyn, viestintäjärjestelmien, autonomisten vedenalaisten alusten ja kameroiden seurannasta. Zhangin mukaan vedenalaiset aurinkolaitteet voivat sallia sukellusveneiden ja autonomisten vedenalaisten ajoneuvojen saavuttaa paljon pidempiä matkoja ja kestäviä tehtäviä kuin nyt.
Tutkimusta tukivat Yunnanin maakunnan Yunling Scholar ja Kiinan kansallinen luonnontieteellinen säätiö. Zhangin tiimi aikoo jatkaa perovskite-aurinkokennojen testaamista syvemmällä veden syvyyksissä, tutkia vedenalaisen aurinkosähkön toimintarajoja ja luoda standardoituja testausprotokollia tälle nousevalle alalle.
Koska yli 70 % planeetan pinnasta on vettä, meren alle piilotettu aurinkoenergian talteenotto avaa valtavan arvaamattoman tien vihreän energian tuotantoon. Siitä huolimatta jäljellä olevat ongelmat, kuten biolikaantuminen ja pitkän aikavälin vaikutukset meriekologiaan, ovat vielä ratkaisematta, mutta tehokkaiden vedenalaisten aurinkokennojen onnistunut demonstrointi 10 metrin syvyydessä on uskomattoman tärkeä virstanpylväs kohti omavaraisten merienergiajärjestelmien luomista.
