Chinesisches Team der Yunnan-Universität validiert Unterwasser-Solarzellen in 10 Metern Tiefe im Südchinesischen Meer

de.wedoany.com-Bericht: Forscher der Yunnan-Universität (Yunnan University) und der Southwest United Graduate School haben eine funktionsfähige Unterwasser-Solarzelle vorgestellt, die in 10 Metern (33 Fuß) Tiefe im Südchinesischen Meer betrieben werden kann, und die Funktionsvalidierung im tatsächlichen Betrieb in etwa 10 Metern Tiefe abgeschlossen. Die Technologie wird eine kontinuierliche Betriebslebensdauer von etwa 5,5 Jahren erreichen und könnte abgelegenen marinen Systemen eine zuverlässige, langfristige Stromversorgung bieten; die Forschung zeigt, dass Unterwasser-Photovoltaik künftig eine praktikable Stromquelle für Unterwassersensoren, Kameras und Kommunikationssysteme darstellen könnte.

Dieses Ergebnis durchbricht die bisherige Grenze. Frühere Versuche zur Unterwasser-Solarenergiegewinnung blieben auf flache Gewässer von weniger als zwei Metern Tiefe beschränkt, wo das Sonnenlicht noch ausreichend ist, die praktische Anwendung jedoch selten. Der Studienautor Zhang Wenhua (Wen-Hua Zhang) sagte, es gebe nur sehr wenige Forschungsberichte über Unterwasser-Solarzellen, und diese konzentrierten sich alle auf extrem flache Gewässer von nur zwei Metern oder weniger, was den Anforderungen der praktischen Anwendung bei Weitem nicht genüge; diese Arbeit habe erstmals die Funktionsvalidierung von Unterwasser-Solarzellen im tatsächlichen Betrieb in etwa 10 Metern Tiefe durchgeführt und damit ihr Anwendungsspektrum erweitert.

Kommerzielle Standard-Silizium-Solarzellen sind für die Erfassung des breiten terrestrischen Sonnenlichts ausgelegt, insbesondere für rotes/infrarotes Licht, verlieren unter Wasser jedoch einen Großteil ihrer Effizienz. Die Unterwasser-Sonnenlichtintensität nimmt schnell ab, was es Unterwasser-Solarzellen erschwert, Energie zu sammeln, und auch Meeresüberwachungsanwendungen wie die Aquakultur behindert. Das Team von Zhang Wenhua entwarf daher Solarzellen mit breiter Bandlücke, die die Erfassung der Wellenlängen von blauem bis orangefarbenem Licht optimieren, welche das Meerwasser am besten durchdringen können. Durch die Erfassung des Umgebungslichts unter den Wellen bieten Unterwasser-Solarzellen eine Lösung für die seit Langem bestehende Einschränkung der Stromversorgung in der Meerestechnik.

In 10 Metern Tiefe erzeugten diese Zellen in nur zwei Stunden 324 Milliwattstunden (mWh), genug, um einen Standard-Lithium-Ionen-Akku aufzuladen. Die Zelle kann Umgebungssensoren, Überwachungskameras und Kommunikationshardware fernab der Küstenlinie eine selbsttragende Stromversorgung bieten und teure Kabelverbindungen sowie häufigen Batteriewechsel überflüssig machen.

Bei Tests unter simulierten Bedingungen zeigten diese speziellen Zellen eine hohe Beständigkeit: Nach 300 Tagen Lagerung behielten sie etwa 96 % ihrer Effizienz. Die Prototypzellen liefen in simulierten 10 Metern Tiefe nahe der Insel Weizhou im Südchinesischen Meer 1.160 Stunden lang mit nahezu keiner Degradation. Zhang Wenhua wies darauf hin, dass es das Team am meisten überrascht habe, dass großflächige Module unter realen Bedingungen in 10 Metern Tiefe in nur zwei Stunden so viel elektrische Energie erzeugten. Er sagte außerdem, das Team habe die Skalierung von kleinen Laborzellen zu großen Modulen erreicht; die Kombination von Laborforschung und Feldversuchen liefere starke Belege für den Betrieb von Unterwasser-Photovoltaik.

Die weitere Anwendung steht noch vor Herausforderungen: Die Zellen müssen sowohl hohe Beständigkeit als auch klare Lichtdurchlässigkeit vereinen, um langfristig effektiv zu bleiben; der Unterwasser-Solareinsatz muss zudem extreme Bedingungen wie korrosive Salze, hohen Druck und Wassereintritt überwinden. Als Nächstes plant das Team, in tiefere und dunklere Gewässer vorzustoßen und zu testen, wie tief die Solartechnologie vordringen kann, während es gleichzeitig die Grundlage für standardisierte Testprotokolle für Unterwasser-Photovoltaik legt.

Diese Studie wurde in der Zeitschrift „Joule" veröffentlicht.