До недавнего времени многие были уверены в том, что использование солнечных батарей под водой – плохая идея. Действительно, солнечный свет быстро угасает в толще воды, причем красные и инфракрасные волны, на поглощение которых ориентированы типовые кремниевые панели, исчезают уже на первых же метрах. Эти факты не остановили китайских исследователей из Юньнаньского университета, которые показали, что перовскитные солнечные элементы могут работать на глубине 10 м, вырабатывая полезную электроэнергию за счет синей области солнечного света в условиях Южно-Китайского моря.

Более того, в лабораторных тестах, которые имитировали свет на этой глубине, было зафиксировано, что под водой перовскитные элементы преобразовывают в электричество 34.71% падающего на них света, это примерно в 2 раза больше, чем при обычном солнечном свете. Исследование опубликовано в научном журнале, а я кратко перескажу для вас публикацию Intelligent Living Co.

Подводные роботы, особенно автономные, а также датчики, камеры, акустические модемы и т.п., работают в основном от аккумуляторов. Их необходимо заменять, например, на судне сопровождения, либо на берегу. Альтернативные варианты типа энергетических буев, подводных батарей, подводных док-станций, подключенных подводным энергокабелем к береговой сети промышленного тока – это пока что редкость. Как и кинетические или акустические сборщики энергии. Короткое время автономной работы от батарей на сегодня остается одним из «узких мест» для подводных устройств. Иногда извлечение датчика для замены его батареи обходится дороже, чем новый датчик с батареей.

Солнечный свет долго не рассматривали как доступный под водой источник энергии из-за свойств воды. Морская вода толщиной всего 2 метра поглощает почти весь свет с длинами волн более 700 нм, а к 10 метрам от всего светового потока остается «сине-оранжевая» полоса с длинами волн от 400 до 600 нм. Кремниевые фотоэлектрические преобразователи, оптимизированные под полный диапазон света, неэффективны для работы с такими потоком, в отличие от широкозонных перевскитных элементов.

Именно поэтому китайская команда под руководством Симинь Ма и старшего автора Вэнь-Хуа Чжана создала первоскитный элемент на основе галогенида свинца с шириной запрещенной зоны около 1,96 электрон-вольт, согласованный с сине-зеленым светом.

В созданном имитаторе подводного солнечного света, на излучении соответствующем глубинам в 10 м, малые элементы показали эффективность преобразования около 34,71%, а крупноформатные модули – 29.4%.

Команда не ограничилась лабораторными экспериментами, а интегрировала разработанные перовскитные модули с подводными роботами и развернула их на глубине 10 м у островов Вэйчжоу в Южно-Китайском море. За 2 часа крупноформатные модули выработали 324 мВтч электроэнергии – этого достаточно для перезарядки стандартных литий-ионных батарей. Скромные цифры, если мы хотели бы обеспечить питанием двигатели мобильных аппаратов, но этой мощности может быть достаточно для «вечной» работы маломощных датчиков и коммуникационного оборудования систем Интернета подводных вещей.

Из других плюсов:

✦ Почти нулевая деградация за 1160 часов работы на имитированной 10-метровой глубине.
✦ Примерно 96% сохраненной эффективности после 300 дней хранения
✦ Оценочный срок непрерывной эксплуатации на глубине 10 м – около 5.5 лет

С подводными фотоэлектрическими батареями экспериментируют не только в Юньнани. Есть эксперименты iScience с солнечными элементами из галлия-индия-фосфида; есть работа 2025 года, в которой исследовались гибкие аморфные кремниевые элементы. Так что тема подводной фотовольтаики развивается. 10 метров – не является физическим пределом, оценочный теоретический предел полезной подводной фотовольтаики – 50 м.

Конечно, много зависит от такого переменчивого фактора как прозрачность воды. Мутная вода, цветение планктона и т.п. – факторы, значительно ограничивающие потенциал технологии. Другие проблемы – это биообрастания, коррозия. Галогенидные первоскиты на основе свинца чувствительны к влаге, герметизация должна быть очень качественной. Тем более, что и попадание свинца в воду – тоже нежелательно. Среди множества проблем можно отметить также и проблему стандартизации – пока что нет соответствующих протоколов тестирования, что затрудняет даже сравнение различных образцов, создаваемых учеными.

Тем не менее, тема представляется интересной для дальнейшего изучения. Надеюсь, что в России ей тоже занимаются. ||

► SeaRobotics в Telegram | на RoboTrends | в Max