Det kan finnas många förbisedda organiska och oorganiska material som kan användas för att utnyttja solljus under vattnet och effektivt driva autonoma dränkbara fordon, rapporterar forskare vid New York University. Deras forskning, publiceras 18 mars i tidskriften Joule , utvecklar riktlinjer för optimala bandgapvärden på en rad vattendjup, demonstrerar att olika bredbandsgap halvledare, snarare än de smalbandiga halvledare som används i traditionella kiselsolceller, är bäst utrustade för användning under vatten.

"Än så länge, den allmänna trenden har varit att använda traditionella silikonceller, som vi visar är långt ifrån idealiska när du väl går till ett betydande djup eftersom kisel absorberar en stor mängd rött och infrarött ljus, som också absorberas av vatten - speciellt på stora djup, " säger Jason A. Röhr, en postdoktoral forskarassistent vid Prof. André D. Taylors laboratorium för transformativa material och anordningar vid Tandon School of Engineering vid New York University och en författare till studien. "Med våra riktlinjer, mer optimala material kan utvecklas. "

Undervattensfordon, som de som används för att utforska det avgrundsdjupa havet, är för närvarande begränsade av landström eller ineffektiva batterier ombord, förhindra resor över längre sträckor och tidsperioder. Men medan solcellsteknik som redan har tagit fart på land och i yttre rymden skulle kunna ge dessa dränkbara båtar mer frihet att ströva omkring, den vattniga världen erbjuder unika utmaningar. Vatten sprider och absorberar mycket av det synliga ljusspektrumet, suga upp röda solvåglängder även på grunda djup innan kiselbaserade solceller skulle ha en chans att fånga dem.

De flesta tidigare försök att utveckla undervattenssolceller har konstruerats av kisel eller amorft kisel, som var och en har smala bandgap som är bäst lämpade för att absorbera ljus på land. Dock, blått och gult ljus lyckas tränga djupt in i vattenpelaren även när andra våglängder minskar, Att föreslå halvledare med bredare bandgap som inte finns i traditionella solceller kan ge en bättre passform för att leverera energi under vattnet.

För att bättre förstå potentialen med undervattenssolceller, Röhr och kollegor bedömde vattendrag som sträckte sig från de klaraste områdena i Atlanten och Stilla havet till en grumlig finsk sjö, med hjälp av en detaljerad balansmodell för att mäta effektivitetsgränserna för solceller på varje plats. Solceller visade sig skörda energi från solen ner till 50 meters djup i jordens klaraste vatten, med kyligt vatten som ytterligare ökar cellernas effektivitet.

Forskarnas beräkningar visade att solcellsabsorbenter skulle fungera bäst med ett optimalt bandgap på cirka 1,8 elektronvolt på två meters djup och cirka 2,4 elektronvolt på 50 meters djup. Dessa värden förblev konsekventa över alla studerade vattenkällor, föreslår att solcellerna skulle kunna skräddarsys till specifika driftsdjup snarare än vattenplatser.

Röhr noterar att billigt producerade solceller tillverkade av organiska material, som är kända för att fungera bra under svagt ljus, såväl som legeringar gjorda med grundämnen från grupperna tre och fem i det periodiska systemet skulle kunna vara idealiska på djupa vatten. Och medan substansen i halvledarna skulle skilja sig från solceller som används på land, den övergripande designen skulle förbli relativt likartad.

"Medan materialen för solskörd skulle behöva förändras, den allmänna designen skulle inte nödvändigtvis behöva förändras så mycket, " säger Röhr. "Traditionella solpaneler i kisel, som de du kan hitta på ditt tak, är inkapslade för att förhindra skador från miljön. Studier har visat att dessa paneler kan sänkas ner och användas i vatten i månader utan att ta på sig betydande skador på panelerna. Liknande inkapslingsmetoder skulle kunna användas för nya solpaneler gjorda av optimala material." Nu när de har avslöjat vad som får effektiva undervattenssolceller att ticka, forskarna planerar att börja utveckla optimala material.

"Det är här det roliga börjar!" säger Röhr. "Vi har redan undersökt okapslade organiska solceller som är mycket stabila i vatten, men vi måste fortfarande visa att dessa celler kan göras mer effektiva än traditionella celler. Med tanke på hur duktiga våra kollegor runt om i världen är, vi är säkra på att vi kommer att se dessa nya och spännande solceller på marknaden inom en snar framtid."