เซลล์แสงอาทิตย์ใต้น้ำที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยวัสดุที่เหมาะสมที่สุด

ที่มา: scitechdaily

อาจมีวัสดุอินทรีย์และอนินทรีย์ที่ถูกมองข้ามหลายอย่างที่สามารถนำมาใช้เพื่อควบคุมแสงแดดใต้น้ำและยานพาหนะพลังงานใต้น้ำอัตโนมัติที่มีประสิทธิภาพเป็นอิสระรายงานจากมหาวิทยาลัยนิวยอร์ก งานวิจัยของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ในวันนี้ (18 มีนาคม 2563) ในวารสาร Joule ได้พัฒนาแนวทางสำหรับค่าช่องว่างย่านความถี่ที่ดีที่สุดในช่วงความลึกของน้ำแสดงให้เห็นว่าเซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างวงกว้างหลายวง เซลล์แสงอาทิตย์ติดตั้งได้ดีที่สุดสำหรับการใช้ใต้น้ำ

“ จนถึงตอนนี้แนวโน้มทั่วไปก็คือการใช้เซลล์ซิลิคอนแบบดั้งเดิมซึ่งเราแสดงให้เห็นว่าอยู่ห่างไกลจากอุดมคติเมื่อคุณไปถึงระดับความลึกที่สำคัญเนื่องจากซิลิคอนดูดซับแสงสีแดงและแสงอินฟราเรดจำนวนมากซึ่งดูดซับด้วยน้ำโดยเฉพาะที่ ความลึกขนาดใหญ่” Jason A. Röhrผู้ร่วมงานวิจัยหลังปริญญาเอกในห้องปฏิบัติการ Transformative Materials and Devices ของศาสตราจารย์André D. Taylor ที่ Tandon School of Engineering มหาวิทยาลัยนิวยอร์กและผู้เขียนกล่าว “ ด้วยแนวทางของเราสามารถพัฒนาวัสดุที่เหมาะสมได้มากขึ้น”

ยานพาหนะใต้น้ำเช่นยานพาหนะที่ใช้สำรวจมหาสมุทรที่ลึกล้ำนั้นถูก จำกัด ด้วยพลังงานบนบกหรือแบตเตอรี่บนเครื่องบินที่ไม่มีประสิทธิภาพป้องกันการเดินทางในระยะทางไกลและช่วงเวลาที่ยาวนาน แต่ในขณะที่เทคโนโลยีโซลาร์เซลล์ที่ถอดออกแล้วบนบกและในอวกาศอาจทำให้นักดำน้ำเหล่านี้มีอิสระในการท่องโลกที่มีน้ำมีความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร น้ำกระจายและดูดซับสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้มากดูดซับความยาวคลื่นแสงอาทิตย์สีแดงแม้ในระดับความลึกตื้นก่อนเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ซิลิคอนจะมีโอกาสจับภาพเหล่านั้น

ความพยายามก่อนหน้าส่วนใหญ่ในการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ใต้น้ำนั้นถูกสร้างขึ้นจากซิลิกอนหรืออะมอร์ฟัสซิลิคอนซึ่งแต่ละอันมีช่องว่างของแถบแคบ ๆ ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการดูดซับแสงบนพื้นดิน อย่างไรก็ตามแสงสีน้ำเงินและสีเหลืองสามารถแทรกซึมลึกลงไปในคอลัมน์น้ำได้แม้ในขณะที่ความยาวคลื่นอื่นลดน้อยลงแนะนำเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างวงกว้างที่ไม่พบในเซลล์สุริยะแบบดั้งเดิมอาจให้พลังงานที่เหมาะสมสำหรับการส่งพลังงานใต้น้ำ

เพื่อให้เข้าใจถึงศักยภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ใต้น้ำได้ดีขึ้นRöhrและเพื่อนร่วมงานได้ทำการประเมินแหล่งน้ำตั้งแต่ขอบเขตที่ชัดเจนที่สุดของมหาสมุทรแอตแลนติกและมหาสมุทรแปซิฟิกไปจนถึงทะเลสาบฟินแลนด์ที่ขุ่นเคืองโดยใช้แบบจำลองรายละเอียดสมดุลเพื่อวัดขีด จำกัด ประสิทธิภาพสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ ที่ตั้ง มีการแสดงเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อเก็บพลังงานจากดวงอาทิตย์ลงไปที่ระดับความลึก 50 เมตรในแหล่งน้ำที่ชัดเจนที่สุดในโลกพร้อมกับน้ำที่มีอากาศหนาวเย็นช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์

การคำนวณของนักวิจัยพบว่าตัวดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์จะทำงานได้ดีที่สุดโดยมีช่องว่างของแถบที่เหมาะสมประมาณ 1.8 อิเล็กตรอนโวลต์ที่ระดับความลึกสองเมตรและประมาณ 2.4 อิเล็กตรอนโวลต์ที่ระดับความลึก 50 เมตร ค่าเหล่านี้ยังคงสอดคล้องกันในทุกแหล่งน้ำที่ศึกษาแนะนำว่าเซลล์สุริยะสามารถปรับให้เหมาะกับความลึกในการใช้งานที่เฉพาะเจาะจงมากกว่าตำแหน่งของน้ำ

Röhrตั้งข้อสังเกตว่าเซลล์แสงอาทิตย์ที่ผลิตจากวัสดุอินทรีย์ราคาถูกซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีว่าทำงานได้ดีภายใต้สภาพแสงน้อยเช่นเดียวกับโลหะผสมที่ทำจากองค์ประกอบจากกลุ่มที่สามและห้าในตารางธาตุอาจเหมาะในน่านน้ำลึก และในขณะที่สารของเซมิคอนดักเตอร์จะแตกต่างจากเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้บนบกการออกแบบโดยรวมจะยังคงค่อนข้างคล้ายกัน

“ ในขณะที่วัสดุที่ใช้ในการเก็บดวงอาทิตย์จะต้องเปลี่ยนไป แต่การออกแบบทั่วไปก็ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงสิ่งเหล่านั้นมากนัก” Röhrกล่าว “ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนแบบดั้งเดิมเช่นเดียวกับที่คุณพบบนหลังคาของคุณถูกห่อหุ้มเพื่อป้องกันความเสียหายจากสภาพแวดล้อม การศึกษาพบว่าแผงเหล่านี้สามารถแช่และดำเนินการในน้ำเป็นเวลาหลายเดือนโดยไม่เกิดความเสียหายอย่างมีนัยสำคัญต่อแผง วิธีการห่อหุ้มที่คล้ายกันสามารถนำมาใช้กับแผงโซลาร์เซลล์ใหม่ที่ทำจากวัสดุที่ดีที่สุด” ตอนนี้พวกเขาได้ค้นพบสิ่งที่ทำให้เซลล์สุริยะใต้น้ำมีประสิทธิภาพติ๊กนักวิจัยวางแผนที่จะเริ่มพัฒนาวัสดุที่เหมาะสม

“ นี่คือที่ที่ความสนุกเริ่มต้นขึ้น!” Röhrพูดว่า “ เราได้ตรวจสอบเซลล์สุริยะอินทรีย์ที่ไม่มีการเคลือบผิวแล้วซึ่งมีความเสถียรสูงในน้ำ แต่เรายังต้องแสดงให้เห็นว่าเซลล์เหล่านี้สามารถทำให้มีประสิทธิภาพมากกว่าเซลล์แบบดั้งเดิม ด้วยความสามารถของเพื่อนร่วมงานของเราทั่วโลกเรามั่นใจว่าเราจะเห็นเซลล์แสงอาทิตย์ใหม่และน่าตื่นเต้นเหล่านี้ในตลาดในอนาคตอันใกล้”