美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，有很多被忽視的有機(jī)或無(wú)機(jī)材料可在水下利用太陽(yáng)光，從而為自動(dòng)潛水器高效供能。近日發(fā)表于《焦耳》的這項(xiàng)研究，為不同水深制定了最優(yōu)帶隙值準(zhǔn)則，闡明了多種寬帶隙半導(dǎo)體是水下使用的最佳裝備，而非傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能電池中的窄帶隙半導(dǎo)體。

論文作者之一、紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院博士后研究員Jason?A.R?hr說(shuō)：“截至目前，總體趨勢(shì)是使用傳統(tǒng)硅電池，但我們發(fā)現(xiàn)它遠(yuǎn)不盡人意，一旦深度較深，硅會(huì)吸收大量紅光和紅外光，而水也會(huì)吸收這兩種光。有了我們制定的準(zhǔn)則，更多優(yōu)選材料將被開(kāi)發(fā)出來(lái)。”

例如用于探索深海的潛水器，目前正受限于陸上電力或機(jī)載電池不足，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離及長(zhǎng)時(shí)間航行。太陽(yáng)能電池技術(shù)已經(jīng)從陸地進(jìn)入外太空，這給了潛水器更多自由漫游的機(jī)會(huì)。但水下世界存在獨(dú)特的挑戰(zhàn)。水能夠散射并吸收大多可見(jiàn)光譜，在較淺深度時(shí)便吸收了紅色太陽(yáng)能波長(zhǎng)，使硅基太陽(yáng)能電池毫無(wú)捕捉機(jī)會(huì)。

先前大多試圖開(kāi)發(fā)水下太陽(yáng)能電池的研究都是基于硅或非晶硅，它們帶隙較窄，是陸地上吸收光照的最佳選擇。然而，在其他光波波長(zhǎng)消失時(shí)，藍(lán)光和黃光依然可以深入穿透水體，這表明傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池中不采用的寬帶隙半導(dǎo)體可能是水下功能的更好選擇。

為了更好理解水下太陽(yáng)能電池的潛能，R?hr和同事測(cè)試了從太平洋到大西洋的最清澈水域，以及渾濁的芬蘭湖泊的水體，利用一個(gè)精準(zhǔn)平衡的模型測(cè)定了太陽(yáng)能電池在每個(gè)地點(diǎn)的效率極限。發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池可在地球最清澈的水體50米深處吸收太陽(yáng)能，而寒冷的水能進(jìn)一步提高電池效率。

經(jīng)研究人員計(jì)算，太陽(yáng)能電池吸收器在水下2米、以1.8電子伏特帶隙，或水下50米、以2.4電子伏特帶隙能夠發(fā)揮最佳功能。這些數(shù)值在所有研究水域中保持恒定，證明太陽(yáng)能電池應(yīng)根據(jù)特定工作深度而非水域位置來(lái)設(shè)制。

R?hr注意到，能夠在低光線條件下較好發(fā)揮功能的廉價(jià)有機(jī)材料太陽(yáng)能電池，以及由3到5種元素制成的合金也是深水中的理想材料。雖然構(gòu)成這些半導(dǎo)體的物質(zhì)與陸地用太陽(yáng)能電池不同，但整體設(shè)計(jì)依然相似。

“太陽(yáng)光吸收材料必須做出改變，但答案的設(shè)計(jì)并不需要大的改動(dòng)。”R?hr說(shuō)，“為了防止環(huán)境中的損傷，傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能電池板——就是可以在房頂上找到的那種——經(jīng)過(guò)了封裝。研究顯示，這些電池板在沒(méi)有持續(xù)損傷的情況下，可以浸入水中工作數(shù)月。優(yōu)選材料所制成的太陽(yáng)能電池板也可以采取類(lèi)似的封裝方法。”現(xiàn)在他們已經(jīng)揭示了水下太陽(yáng)能電池高效工作的要點(diǎn)，研究人員計(jì)劃研發(fā)優(yōu)選材料。

“這會(huì)非常有趣！”R?hr說(shuō)，“我們已經(jīng)研究出了在水下高度穩(wěn)定的未封裝有機(jī)電池，但依然需要證明這種電池比傳統(tǒng)電池更高效。我們相信不久就會(huì)在市場(chǎng)上見(jiàn)到新型的令人激動(dòng)的太陽(yáng)能電池。”