Nguồn: scitechd Daily
Có thể có nhiều vật liệu hữu cơ và vô cơ bị bỏ qua có thể được sử dụng để khai thác ánh sáng mặt trời dưới nước và cung cấp năng lượng hiệu quả cho các phương tiện chìm tự trị, báo cáo của các nhà nghiên cứu tại Đại học New York. Nghiên cứu của họ, xuất bản ngày hôm nay (18 tháng 3 năm 2020) trên tạp chí Joule, phát triển các hướng dẫn cho các giá trị khoảng cách dải tối ưu ở một phạm vi độ sâu của nước, chứng minh rằng các chất bán dẫn khe rộng khác nhau, thay vì các chất bán dẫn băng hẹp được sử dụng trong silicon truyền thống pin mặt trời, được trang bị tốt nhất để sử dụng dưới nước.
Cho đến nay, xu hướng chung là sử dụng các tế bào silicon truyền thống, mà chúng tôi cho thấy không còn lý tưởng nữa khi bạn đi đến một độ sâu đáng kể vì silicon hấp thụ một lượng lớn ánh sáng đỏ và hồng ngoại, cũng được hấp thụ bởi nước - đặc biệt là tại Độ sâu lớn, Jason cho biết Jason A. Röhr, một nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm Vật liệu và Thiết bị Biến đổi của Giáo sư André D. Taylor tại Trường Kỹ thuật Tandon tại Đại học New York và là tác giả của nghiên cứu. Với hướng dẫn của chúng tôi, có thể phát triển các vật liệu tối ưu hơn.
Các phương tiện dưới nước, chẳng hạn như những phương tiện được sử dụng để khám phá đại dương vực thẳm, hiện bị giới hạn bởi năng lượng trên bờ hoặc pin trên tàu không hiệu quả, ngăn chặn việc di chuyển trong khoảng cách và thời gian dài hơn. Nhưng trong khi công nghệ pin mặt trời đã cất cánh trên đất liền và ngoài vũ trụ có thể giúp những tàu lặn này có thể tự do đi lang thang hơn, thế giới nước lại đưa ra những thách thức độc đáo. Nước làm tán xạ và hấp thụ phần lớn phổ ánh sáng khả kiến, hấp thụ các bước sóng mặt trời đỏ ngay cả ở độ sâu nông trước khi pin mặt trời gốc silicon có cơ hội bắt được chúng.
Hầu hết các nỗ lực trước đây để phát triển pin mặt trời dưới nước đã được xây dựng từ silicon hoặc silic vô định hình, mỗi loại có khoảng cách dải hẹp phù hợp nhất để hấp thụ ánh sáng trên đất liền. Tuy nhiên, ánh sáng xanh và vàng có thể thâm nhập sâu vào cột nước ngay cả khi các bước sóng khác giảm dần, cho thấy các chất bán dẫn có khoảng trống dải rộng hơn không tìm thấy trong pin mặt trời truyền thống có thể cung cấp năng lượng phù hợp hơn cho việc cung cấp năng lượng dưới nước.
Để hiểu rõ hơn về tiềm năng của pin mặt trời dưới nước, Röhr và các đồng nghiệp đã đánh giá các vùng nước từ vùng rõ nhất của Đại Tây Dương và Thái Bình Dương đến hồ Phần Lan đục, sử dụng mô hình cân bằng chi tiết để đo giới hạn hiệu quả của pin mặt trời ở mỗi vùng vị trí. Các tế bào năng lượng mặt trời đã được chứng minh là thu hoạch năng lượng từ mặt trời xuống độ sâu 50 mét trong các vùng nước rõ ràng nhất Trái đất, với nước lạnh làm tăng thêm hiệu quả của các tế bào.
Các tính toán của các nhà nghiên cứu tiết lộ rằng các chất hấp thụ pin mặt trời sẽ hoạt động tốt nhất với khoảng cách dải tối ưu là khoảng 1,8 electronvol ở độ sâu hai mét và khoảng 2,4 electronvol ở độ sâu 50 mét. Các giá trị này vẫn nhất quán trên tất cả các nguồn nước được nghiên cứu, cho thấy pin mặt trời có thể được điều chỉnh theo độ sâu hoạt động cụ thể thay vì vị trí nước.
Röhr lưu ý rằng pin mặt trời được sản xuất giá rẻ làm từ vật liệu hữu cơ, được biết là hoạt động tốt trong điều kiện ánh sáng yếu, cũng như hợp kim được chế tạo với các nguyên tố từ nhóm ba và năm trên bảng tuần hoàn có thể lý tưởng ở vùng nước sâu. Và trong khi chất của chất bán dẫn sẽ khác với pin mặt trời được sử dụng trên đất liền, thiết kế tổng thể sẽ vẫn tương đối giống nhau.
Röhr cho biết, trong khi các vật liệu thu hoạch mặt trời sẽ phải thay đổi, thiết kế chung sẽ không nhất thiết phải thay đổi nhiều như vậy. Các tấm pin mặt trời silicon truyền thống, giống như những tấm bạn có thể tìm thấy trên mái nhà của mình, được gói gọn để ngăn chặn thiệt hại từ môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng những tấm này có thể được ngâm và hoạt động trong nước trong nhiều tháng mà không gây ra thiệt hại đáng kể cho các tấm. Các phương pháp đóng gói tương tự có thể được sử dụng cho các tấm pin mặt trời mới được làm từ vật liệu tối ưu. Bây giờ họ đã phát hiện ra những gì làm cho pin mặt trời dưới nước hiệu quả, các nhà nghiên cứu có kế hoạch bắt đầu phát triển các vật liệu tối ưu.
"Đây là nơi vui vẻ bắt đầu!" Röhr nói. Chúng tôi đã nghiên cứu các pin mặt trời hữu cơ chưa đóng gói có độ ổn định cao trong nước, nhưng chúng tôi vẫn cần chứng minh rằng các tế bào này có thể được chế tạo hiệu quả hơn các tế bào truyền thống. Dựa vào khả năng của các đồng nghiệp trên khắp thế giới, chúng tôi chắc chắn rằng chúng ta sẽ thấy những pin mặt trời mới và thú vị này trên thị trường trong tương lai gần.
