Unterseeische Messnetze und Tauchboote könnten künftig ihre Energie über das Licht beziehen Solarzellen für den Unterwasser-Einsatz - scinexx | Das Wissensmagazin
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Solarzellen für den Unterwasser-Einsatz

Unterseeische Messnetze und Tauchboote könnten künftig ihre Energie über das Licht beziehen

Solarzelle
Organische Solarzellen, aber auch bestimmte anorganische Legierungen könnten die Nutzung von Solarenergie auch für Unterwasser-Geräte ermöglichen. © Allison Kalpakci

Solarkraft für Tauchboote: Bisher eignen sich Solarzellen kaum für den Unterwassereinsatz, das aber könnte sich bald ändern. Denn Forscher haben ermittelt, wie man Tauchboote, Sensoren und andere wissenschaftliche Geräte bis in 50 Meter Tiefe mit Solarenergie versorgen kann. Demnach können organische Solarzellen und Halbleiter aus Legierungen von Kupfer, Tellur oder Arsenid die Lichtwellenlängen ausnutzen, die bis in diese Tiefe dringen.

Solarenergie ist eine wichtige Säule der erneuerbaren Energieversorgung. Neben den klassischen Solarzellen aus mono- oder polykristallinem Silizium haben Forscher inzwischen auch organische Solarzellen entwickelt, die neue Anwendungen wie transparente, ultradünne und sogar biegsame Photovoltaik-Paneele erlauben. In Kleidung integriert lässt sich diese Technik sogar mitwaschen.

Ein Anwendungsbereich fehlte der Photovoltaik allerdings bisher: Der Einsatz von Solarstrom bei Unterwassergeräten wie Tauchbooten, Sensoren oder unterseeischen Messnetzen. Der Grund dafür: Die gängigen Silizium-Solarzellen haben eine sogenannte Bandlücke von 1,1 bis maximal 1,8 Elektronenvolt und absorbieren damit vor allem Licht im roten Bereich sowie Infrarotstrahlung. Doch genau diese Wellenbereiche werden im Wasser mit zunehmender Tiefe geschluckt.

Grün und Gelb kommen am tiefsten

Ob Solarzellen überhaupt unter Wasser funktionieren könnten und welche Halbleiter-Materialien sich dafür eignen würden, haben nun Jason Röhr von der New York University und seine Kollegen untersucht. Für ihre Studie ermittelten sie zunächst, welche Wellenbereiche des Lichts in Wassertiefen von fünf bis 50 Meter durchdringen und wie sich dies zwischen einem finnischen See sowie verschiedenen Meeresgebieten im Pazifik, Atlantik und in der Karibik unterscheidet.

Das Ergebnis: Je größer die Wassertiefe, desto schmaler wird der Wellenbereich des noch eindringenden Lichts. „Licht zwischen 700 und 800 Nanometern Wellenlänge wird schon in geringen Tiefen von rund zwei Metern fast vollständig absorbiert – ungeachtet des Gewässertyps“, berichten die Forscher. Bei größeren Wassertiefen von bis zu 50 Metern bleibt fast nur noch Licht zwischen 400 und knapp 600 Nanometern übrig – dies entspricht vor allem dem grünen und gelben Bereich des sichtbaren Lichts.

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Bandlücke und Wassertiefe
Effizienz des absorbierten Lichts nach Wasserteife und Bandlücke des Materials.© Röhr et al./Joule

Amorphes Silizium, Arsenide und organische Halbleiter

Doch welches Solarzellen-Material kann dieses Licht am besten einfangen? Wie Röhr und sein Team ermittelten, wären für das Lichtspektrum in flachem Wasser Materialien mit einer Bandlücke von rund 1,8 Elektronenvolt am besten geeignet – dies ist ein Bereich der unter anderem von amorphem Silizium abgedeckt wird. Bei größeren Wassertiefen bis 50 Meter jedoch sind Materialien mit Bandlücken von rund 2,4 Elektronenvolt nötig. Diese könnten selbst dort noch mit 65 Prozent Effizienz arbeiten.

Diese Eigenschaft besitzen laut Röhr und seinem Team unter anderem Solarzellen aus Legierungen wie Aluminium-Gallium-Arsenid, Cadmium-Zink-Tellur, Indium-Gallium-Phosphor sowie andere Arsenid-Legierungen. Einfacher und günstiger aber könnte der Einsatz von organischen Solarzellen sein: „Diese kosten meist weniger und haben bewiesen, dass sie bei geringen Lichtstärken effektiver arbeiten“, erklären die Forscher. Ihren Berechnungen zufolge könnten dabei Materialien wie Rubren, Pentacen und für größere Tiefen auch Poly(p-Phenylen-Vinylen)-Abkömmlinge gute Kandidaten sein.

Ohnehin schon wasserdicht

Ein Vorteil dabei: „Zwar müssten wir für Unterwasser-Solarzellen andere lichtabsorbierende Materialien nehmen, dafür aber müsste das Grunddesign dieser Zellen sich kaum verändern“, erklärt Röhr. „Gängige Solarpaneele, wie man sie auf dem Dach findet, sind ohnehin schon eingekapselt, um Schäden durch Umwelteinflüsse zu vermeiden. Studien zeigen, dass diese Solarzellen Monate unter Wasser bleiben können, ohne Schaden zu nehmen.“ Die gleiche Einkapselung könnte daher auch für die Unterwasser-Solarzellen verwendet werden.

Nach Ansicht der Wissenschaftler eröffnen ihre neuen Erkenntnisse nun vielversprechende Möglichkeiten, neue Solarzellen speziell für den Unterwasser-Einsatz zu entwickeln. Das könnte unterseeische Sensoren und Messnetze erheblich sparsamer und effektiver machen. Denn bislang müssen sie ihren Strom entweder per Leitung von Land beziehen oder aber sie besitzen Batterien, die regelmäßig ausgetauscht werden müssen. (Joule, 2020; doi: 10.1016/j.joule.2020.02.005)

Quelle: Cell Press

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