Une cellule solaire organique, qui sont probablement des candidats pour les applications sous-marines car ils peuvent être rendus résistants à l'eau et fonctionnent parfaitement dans des conditions de faible luminosité. Crédit :Allison Kalpakci
Il peut y avoir de nombreux matériaux organiques et inorganiques négligés qui pourraient être utilisés pour exploiter la lumière du soleil sous l'eau et alimenter efficacement des véhicules submersibles autonomes, rapportent des chercheurs de l'Université de New York. Leurs recherches, publication le 18 mars dans la revue Joule , élabore des lignes directrices pour des valeurs de bande interdite optimales à une gamme de profondeurs d'eau, démontrant que divers semi-conducteurs à large bande interdite, plutôt que les semi-conducteurs à bande étroite utilisés dans les cellules solaires traditionnelles au silicium, sont mieux équipés pour une utilisation sous-marine.
"Jusque là, la tendance générale a été d'utiliser des cellules de silicium traditionnelles, que nous montrons sont loin d'être idéales une fois que vous allez à une profondeur importante car le silicium absorbe une grande quantité de lumière rouge et infrarouge, qui est également absorbé par l'eau, en particulier à de grandes profondeurs, " dit Jason A. Röhr, un associé de recherche postdoctoral au laboratoire Transformative Materials and Devices du professeur André D. Taylor à la Tandon School of Engineering de l'Université de New York et un auteur de l'étude. "Avec nos directives, des matériaux plus optimaux peuvent être développés.
Véhicules sous-marins, comme celles utilisées pour explorer l'océan abyssal, sont actuellement limités par l'alimentation à terre ou des batteries embarquées inefficaces, empêchant les déplacements sur des distances et des périodes plus longues. Mais alors que la technologie des cellules solaires qui a déjà décollé sur terre et dans l'espace pourrait donner à ces submersibles plus de liberté pour se déplacer, le monde aquatique présente des défis uniques. L'eau diffuse et absorbe une grande partie du spectre de la lumière visible, absorber les longueurs d'onde solaires rouges même à faible profondeur avant que les cellules solaires à base de silicium n'aient une chance de les capturer.
La plupart des tentatives précédentes pour développer des cellules solaires sous-marines ont été construites à partir de silicium ou de silicium amorphe, qui ont chacun des bandes interdites étroites les mieux adaptées pour absorber la lumière sur terre. Cependant, la lumière bleue et jaune parvient à pénétrer profondément dans la colonne d'eau même lorsque les autres longueurs d'onde diminuent, suggérant que les semi-conducteurs avec des bandes interdites plus larges que l'on ne trouve pas dans les cellules solaires traditionnelles peuvent fournir un meilleur ajustement pour fournir de l'énergie sous l'eau.
Ce résumé graphique montre comment les cellules solaires sous-marines peuvent produire de l'énergie utile jusqu'à 65% d'efficacité dans les eaux les plus claires. Crédit :Röhr et al./Joule
Pour mieux comprendre le potentiel des cellules solaires sous-marines, Röhr et ses collègues ont évalué des étendues d'eau allant des régions les plus claires des océans Atlantique et Pacifique à un lac finlandais trouble, en utilisant un modèle de bilan détaillé pour mesurer les limites d'efficacité des cellules solaires à chaque emplacement. Il a été démontré que les cellules solaires captent l'énergie du soleil jusqu'à des profondeurs de 50 mètres dans les plans d'eau les plus clairs de la Terre, avec des eaux froides augmentant encore l'efficacité des cellules.
Les calculs des chercheurs ont révélé que les absorbeurs de cellules solaires fonctionneraient mieux avec une bande interdite optimale d'environ 1,8 électronvolt à une profondeur de deux mètres et d'environ 2,4 électronvolt à une profondeur de 50 mètres. Ces valeurs sont restées constantes dans toutes les sources d'eau étudiées, suggérant que les cellules solaires pourraient être adaptées à des profondeurs de fonctionnement spécifiques plutôt qu'à des emplacements d'eau.
Röhr note que des cellules solaires produites à bas prix à partir de matériaux organiques, qui sont connus pour bien fonctionner dans des conditions de faible luminosité, ainsi que les alliages fabriqués avec des éléments des groupes trois et cinq du tableau périodique pourraient être idéaux dans les eaux profondes. Et tandis que la substance des semi-conducteurs serait différente des cellules solaires utilisées sur terre, la conception globale resterait relativement similaire.
« Alors que les matériaux solaires devraient changer, la conception générale ne devrait pas nécessairement changer tant que ça, " dit Röhr. " Les panneaux solaires traditionnels en silicium, comme ceux que vous pouvez trouver sur votre toit, sont encapsulés pour interdire les dommages causés par l'environnement. Des études ont montré que ces panneaux peuvent être immergés et utilisés dans l'eau pendant des mois sans subir de dommages importants aux panneaux. Des méthodes d'encapsulation similaires pourraient être utilisées pour de nouveaux panneaux solaires fabriqués à partir de matériaux optimaux. "Maintenant qu'ils ont découvert ce qui fait fonctionner les cellules solaires sous-marines efficaces, les chercheurs prévoient de commencer à développer des matériaux optimaux.
« C'est ici que le plaisir commence ! » dit Röhr. "Nous avons déjà étudié des cellules solaires organiques non encapsulées qui sont très stables dans l'eau, mais nous devons encore montrer que ces cellules peuvent être rendues plus efficaces que les cellules traditionnelles. Compte tenu de la capacité de nos collègues du monde entier, nous sommes sûrs que nous verrons ces nouvelles et passionnantes cellules solaires sur le marché dans un avenir proche."
