Stromerzeugung mit Perowskit-Solarzellen in zehn Metern Tiefe unter Wasser
Wissenschaftlern der chinesischen Yunnan-Universität ist es gelungen, im Südchinesischen Meer mit Perowskit-Solarzellen noch in zehn Metern Wassertiefe Strom zu erzeugen. Die Solarmodule nutzen dabei Wellenlängen des Sonnenlichts, die tief ins Meer vordringen. Mit diesem Strom könnten Tauchroboter, Unterwasserkameras und Sensoren versorgt werden.
Entwicklung autarker Energiequellen für Unterwassergeräte
Wissenschaftler der chinesischen Yunnan-Universität sind mit der Entwicklung autarker Energiequellen für Unterwassergeräte beschäftigt. Sie betrieben zu diesem Zweck im Südchinesischen Meer in einer Wassertiefe von bis zu zehn Metern Perowskit-Solarzellen. Bei längeren Einsätzen ist die Stromversorgung von Unterwassergeräten wie Tauchrobotern, Sensoren und Unterwasserkameras eine technische Herausforderung.
Frühere Untersuchungen zu Unterwasser-Solarzellen bezogen sich auf Wassertiefen von maximal zwei Metern. Mit den Ergebnissen der aktuellen Studie liegt der erste Funktionsnachweis für Solarzellen vor, die in einer Wassertiefe von ungefähr zehn Metern untergetaucht sind.
Die Stromversorgung von Kameras, Kommunikationssystemen und Sensoren, die unter Wasser betrieben sind, erfolgt bislang meist kabelgebunden oder mit Batterien. Die Einsatzdauer ist bei beidem begrenzt oder mit einem erhöhten Aufwand für Installation und Wartung verbunden.
Die von den Forschern der Yunnan-Universität entwickelten Perowskit-Solarzellen sind mit ihrem Absorptionsbereich an das Lichtspektrum angepasst, das in mehreren Metern Wassertiefe verfügbar ist.
Im Praxistext konnten die Perowskit-Solarzellen sogar noch in einer Wassertiefe von zehn Metern genug Energie zum Laden eines Lithium-Ionen-Akkus erzeugen. Die Studie ergab, dass diese Solarzellen gegenwärtig vorrangig für Systeme mit einem geringen Leistungsbedarf geeignet sind.
Nutzung von blauem Licht durch Perowskit-Solarzellen
Die von den chinesischen Forschern entwickelten Perowskit-Solarzellen sind darauf ausgelegt, blaues bis orangefarbenes Licht zu verwerten. Dabei handelt es sich um Wellenlängen, die tief ins Meer vordringen können.
Zuerst entwickelten die Wissenschaftler eine kleine Labor-Perowskit-Zelle, die danach skaliert wurde. Es wurde ein Modul mit einer aktiven Fläche von 115 Quadratzentimetern entwickelt – ein bedeutender Fortschritt von der Laborzelle zum praxisnahen Modul, aber noch kein marktreifes Produkt.
Das Modul wurde auf einen Unterwasserroboter montiert und konnte innerhalb von zwei Stunden in einer Wassertiefe von zehn Metern 324 Milliwattstunden Strom erzeugen. Es war der erste Test unter Realbedingungen.
Abnahme der Intensität des Sonnenlichts mit zunehmender Wassertiefe
Die Intensität des Sonnenlichts nimmt mit zunehmender Wassertiefe ab. Ebenso verändert sich die spektrale Zusammensetzung. Langwelliges rotes und infrarotes Licht wird von Wasser absorbiert. In Tiefen von fünf bis zehn Metern verbleibt vorrangig Licht im blau-grünen Spektrum von 400 bis 600 nm.
Konventionelle Siliziumsolarzellen eignen sich nicht optimal für dieses eingeschränkte Spektrum. Sie können langwellige Strahlung nutzen, die in großen Wassertiefen nur noch geringfügig oder gar nicht vorhanden ist. Die Bandlücke dieser konventionellen Siliziumsolarzellen liegt bei ungefähr 1,1 eV.
Die von den Forschern genutzten Solarzellen aus Blei-Halid-Perowskit haben eine Bandlücke von ungefähr 1,96 eV und damit einen Absorptionsbereich, der besser zu kurzwelligem Licht passt, das tiefer ins Wasser eindringt.
Energiegewinnung abhängig von der Tauchtiefe
Das Material der von den chinesischen Forschern verwendeten Solarzellen ist Blei-Halid-Perowskit, dem sie Polyhexamethylenguanidinhydrochlorid zusetzten. Dieses Polymer verbessert die Haltbarkeit und Stabilität der Perowskit-Struktur. Die Effizienz der Module wird dadurch gesteigert.
Die Energiegewinnung mit Perowskit-Solarmodulen ist stark von der Tauchtiefe abhängig.
Bei einer Wassertiefe von zwei Metern lag die Energieausbeute der Panels bei 1.416 Milliwattstunden. Die Ausbeute lag bei einer Tiefe von sechs Metern noch bei 752 Millliwattstunden, während sie bei zehn Metern Tiefe auf 324 Milliwattstunden gesunken ist.
Der Wirkungsgrad der Zellen lag bei Labortests mit simuliertem in zehn Metern Wassertiefe verfügbarem Unterwasserlicht bei knapp 35 Prozent. Die Effizienz liegt hingegen bei Standardbedingungen bei 16,79 Prozent.
Tests in noch größeren Tiefen
Künftig wollen die chinesischen Forscher den Einsatz der Perowskit-Solarmodule in noch größeren Tiefen testen. Sie wollen auch die Stromausbeute erhöhen. Die Lebensdauer der Module wird bei einem Einsatz in zehn Metern Wassertiefe mit ungefähr 5,5 Jahren angegeben.
Die Module könnten für die Stromversorgung von Tauchrobotern, den Betrieb von Sensoren, Kommunikationsbojen und Unterwasserkameras sowie für Wartungsarbeiten an der Unterwasser-Infrastruktur genutzt werden.
Es handelt sich noch um einen Funktionsnachweis: Der Feldtest in zehn Metern Tiefe wurde in nur zwei Stunden durchgeführt. Unklar ist, wie die Module sich über Monate im Meer schlagen – insbesondere in Bezug auf Bewuchs durch Meeresorganismen, Druck und den dauerhaften Kontakt mit Salzwasser.
