Un nuovo studio mostra come il fotovoltaico potrebbe funzionare anche a 10 metri di profondità sotto la superficie del mare per un tempo di circa 5,5 anni, producendo abbastanza energia per un'applicazione pratica
Celle solari sottomarine, a che punto siamo?
Negli anni la tecnologia fotovoltaica ha oltrepassato diversi confini fisici, spingendosi fuori dalla sua comfort zone. E dopo essere approdata nello spazio, resistendo a radiazioni, escursioni termiche estreme, alto vuoto, oggi mira a mari ed oceani. Non parliamo solo di impianti galleggianti, ma anche di sistemi in grado di funzionare sotto la superficie dell’acqua. Quanto sotto? Un nuovo studio ha segnato da poco un record creando celle solari sottomarine in grado di produrre energia elettrica a 10 metri di profondità. E di funzionare ininterrottamente per 5,5 anni.
Fotovoltaico subacqueo tra limiti e potenzialità
Una domanda sorge spontanea: perché dovremmo dedicare tempo e risorse all’ottimizzazione del fotovoltaico sottomarino? Non è un mistero che l’acqua non sia il mezzo migliore per propagare la luce. Le sue molecole assorbono, disperdono e riflettono i fotoni in modi non congeniali al fotovoltaico. Nel dettaglio l’acqua assorbe completamente la luce oltre i 730 nm (rosso e infrarosso) mentre le celle tradizionali in silicio, o tellururo di cadmio assorbono i fotoni sopra gli 800 nm, risultando inefficaci in immersione.
Non solo. Più in profondità si trovano le celle solari, minore risulterà la porzione di spettro utilizzabile. Nonostante ciò la ricerca di settore non ha mai desistito dal proposito e il motivo è semplice: esistono una serie di attività acquatiche, dai sistemi di monitoraggio dell’acquacoltura ai droni subacquei, che hanno bisogno di fonti di alimentazione autonome.
“Sono stati pubblicati pochissimi studi sulle celle fotovoltaiche sottomarine, e tutti si concentrano su profondità d’acqua molto ridotte, di soli due metri o meno, uno scenario ben lontano dal soddisfare i requisiti delle applicazioni pratiche”, spiega Wen-Hua Zhang dell’Università dello Yunnan, in Cina, e autore della nuova ricerca. “Questo lavoro presenta la prima validazione funzionale di celle solari sommerse in grado di operare concretamente a una profondità d’acqua fino a circa 10 metri, ampliando notevolmente il loro campo di applicazione.”
Le nuove celle solari subacquee in perovskite
Per riuscirci Wen-Hua Zhang e colleghi si sono focalizzati sul fotovoltaico a base di perovskiti ad alogenuri di piombo, materiali ad elevato coefficiente di assorbimento e soprattutto un’ampiezza di banda regolabile.
Per il loro esperimento gli scienziati hanno impiegato una banda proibita ampia di circa 1,96 eV e un particolare additivo (PHMG). Quest’ultimo ha avuto il merito di ottimizzare la cristallizzazione, migliorare l’allineamento dei livelli energetici e ridurre le perdite per ricombinazione.
I risultati di laboratorio hanno mostrato un’efficienza di conversione del 16,79% in condizioni standard e un eccellente 34,71% a 10 metri di profondità, ambiente in cui lo spettro luminoso risulta ideale per questo materiale.
Non solo. Come anticipato i test hanno calcolato una stabilità operativa di circa 5,5 anni a 25 °C in immersione, mentre le prove reali con moduli di grandi dimensioni hanno confermato la capacità di generare 324 mWh in due ore di illuminazione subacquea a 10 metri: una quantità di energia sufficiente per caricare batterie al litio e alimentar dispositivi come i LED.
“Ciò che ci ha sorpreso di più è stata la quantità di energia elettrica generata dai nostri moduli di grandi dimensioni in condizioni reali, a 10 metri di profondità, per sole due ore”, afferma Zhang. “Inoltre, siamo riusciti a passare da celle di laboratorio di piccole dimensioni a moduli di grandi dimensioni. La combinazione delle indagini di laboratorio e degli esperimenti sul campo fornisce una solida prova del funzionamento del fotovoltaico sottomarino.”
Il lavoro non si fermerà qui, ovviamente. Nelle future ricerche, il team di Zhang intende testare le celle solari sottomarine in perovskite a maggiori profondità, studiando i limiti di funzionamento e definendo protocolli di test standardizzati per il fotovoltaico subacqueo.
L’attuale ricerca Submerged solar harvesting with wide-band-gap perovskites for autonomous underwater energy systems è stata pubblicata su Joule.
