Испытания перовскитных солнечных батарей в подводных условиях показали удивительную эффективность
Аккумулятор Challenger A12-120
Исследователи из Италии проверили, как перовскитные солнечные элементы работают под водой, и обнаружили, что на небольшой глубине они могут даже обеспечивать более высокую эффективность преобразования энергии по сравнению с эталонными устройствами, работающими вне воды.
Погружение солнечных элементов Perovksite на 600 часов
Исследовательская группа из Италии проверила эффективность полупрозрачных солнечных элементов на основе перовскита с широкой запрещённой зоной в подводных (UW) средах и обнаружила, что на глубине 0,5–1 см устройства достигают более высокой эффективности преобразования энергии благодаря показателю преломления воды.
«Новизна нашей работы заключается в том, что мы полностью контролируем процесс, включающий в себя производство перовскитных солнечных элементов, тестирование герметичности с помощью тестов на утечку свинца и фактическое погружение перовскитных солнечных элементов в воду, — рассказала журналу PV автор исследования Джессика Барричелло. — Перовскиты традиционно считаются непригодными для использования во влажной среде, а также в подводном мире, где всё чаще появляются люди и развиваются такие виды деятельности, как выдержка вина и выращивание растений».
В статье «Под поверхностью: исследование перовскитных солнечных элементов под водой», опубликованной в журнале Energy & Environmental Materials, исследователи объяснили, что в условиях подводного освещения потребуются фотопоглотители с широкой запрещённой зоной в 2–2,3 эВ, такие как те, что используются в перовскитных фотоэлектрических устройствах, в то время как большинство коммерчески доступных кремниевых поглотителей имеют узкую запрещённую зону в 1,11 эВ. Однако они также подчеркнули, что перовскиты подвержены быстрому разрушению объёмной плёнки под воздействием влаги.
Чтобы решить эту проблему, учёные использовали «надёжную» процедуру инкапсуляции для создания солнечного элемента на основе абсорбера из перовскитного материала, известного как FaPbBr3, ширина запрещённой зоны которого составляет 2,3 эВ.
Ученые создали ячейку площадью 1 см2 с подложкой из оксида олова, легированного фтором (FTO), электронно-транспортным слоем (ETL) на основе оксида олова (SnO2), поглотителем FaPbBr3, дырочно-транспортным слоем (HTL) на основе поли(триариламина) (PTAA) и верхним электродом из оксида индия и олова (ITO). Последний был предназначен для улавливания света, отраженного от окружающей воды.
Элемент был инкапсулирован с помощью клеящего полиизобутиленового (PIB) материала, который обычно используется для перовскитных солнечных элементов и является промышленно совместимым решением, не требующим растворителей в процессе ламинирования без деформации. «Инкапсулирующий материал PIB увеличивает коэффициент пропускания с 600 до 800 нм, не влияя на сине-зелёную область (400–600 нм), в которой перовскиты с широкой запрещённой зоной могут эффективно поглощать свет», — подчеркнули исследователи.
При стандартном освещении эффективность солнечных батарей составила около 6,79 %.
Команда протестировала работу устройств, погрузив их в резервуар с водой. В первый раз они пробыли там 24 часа, а во второй — 120 часов. Ячейки располагались на трёх глубинах: на 0,5 см ниже поверхности воды, на 3 см ниже и на 6 см ниже. На глубине 0,5 см устройства показали повышение эффективности до 8 % по сравнению с исходными условиями вне воды, что учёные объяснили более высокими значениями тока короткого замыкания.
«Увеличение силы тока и, как следствие, эффективности связано с антибликовым эффектом покрытия из воды на поверхности солнечного элемента», — пояснили они, отметив, что более низкая температура воды могла способствовать повышению производительности элемента. «Однако с увеличением глубины погружения наблюдается более выраженное снижение эффективности».
Основываясь на других результатах экспериментов и моделирования, учёные пришли к выводу, что устройства на основе перовскита потенциально могут использоваться в будущем для питания маломощных устройств Интернета подводных вещей (IoUT) на глубине до 10 м.
В исследовательскую группу вошли учёные из итальянского Института структуры материи CNR-ISM, CHOSE (Центр гибридной и органической солнечной энергии) Университет Тор Вергата, а также поставщик двумерных материалов из Италии BeDimensional SpA.
Эффективность подводных солнечных батарей была исследована в 2020 году учёными из Технологического и научного института Бирлы, Индийского технологического института в Канпуре и компании Defence Materials. Согласно их выводам, погружённые в воду батареи выигрывают за счёт более низких температур и идеальной среды для очистки. «Несмотря на наличие проблем и ограничений, полученные результаты показывают, что у технологии солнечных батарей есть огромный потенциал для использования в подводных датчиках или устройствах мониторинга, а также в различных коммерческих и оборонных приложениях с современной силовой электроникой», — заявили исследователи.
В 2022 году исследователи из Китая использовали коммерчески доступные солнечные батареи для создания системы без линз, оптимизированной для работы под водой для высокоскоростного оптического обнаружения. Они обнаружили, что фотоэлектрические устройства обеспечивают гораздо большую площадь обнаружения, чем обычно используемые фотодиоды.