Solarzellen haben vor Chinas Küste in zehn Metern Tiefe Akkus geladen und genug Energie für einen anschließenden LED-Test gesammelt. Die kleinen Prototypen sind auf die Lichtfarben abgestimmt, die das Meer noch bis zu ihnen durchlässt. Solche Stromquellen sollen künftig Messgeräte versorgen, deren Batterien sonst aufwendig ausgetauscht werden müssen. Dafür verändert das Team einen entscheidenden Teil der Zellen.
Vor der Insel Weizhou im Südchinesischen Meer haben Solarzellen in 10 Metern Wassertiefe elektrische Energie für Lithium-Ionen-Akkus geliefert. Das Team um Wen-Hua Zhang von der Yunnan University entwickelte dafür Halbleiter, die besonders gut zum gefilterten Sonnenlicht unter Wasser passen. Simin Ma und Bing Cai stehen als gemeinsame Erstautoren hinter der Arbeit, an der auch die Schweizer Hochschule EPFL beteiligt ist. Ihr Ansatz verbindet eine veränderte Materialrezeptur mit einem Praxistest außerhalb des Labors.
Auf den Versuchsaufnahmen sitzen rostrotbraune Zellflächen mit breiten weißen Dichtungsrändern an einem schwarzgelben Tauchgerät, umgeben von gelben Leitungen und türkisgrünem Wasser. Der Unterwasserroboter transportierte die Module zu ihren Messpositionen und machte damit einen Einsatz in natürlicher Umgebung möglich. Für solche Maschinen gehört eine eigene Energieversorgung zu den entscheidenden Entwicklungsaufgaben, auch bei neuen Unterwasserrobotern mit wenigen Antrieben. Im chinesischen Versuch wurde zunächst geprüft, wie viel nutzbare elektrische Energie die mitgeführten Module sammeln.
Diese aktive Fläche nennt die in Joule veröffentlichte Untersuchung für den Aufbau, dessen Ladeversuche jeweils zwei Stunden dauerten. An der tiefsten Messposition speicherten die Akkus 324 Milliwattstunden, während die Ausbeute bei sechs Metern 752 und bei zwei Metern 1.416 Milliwattstunden erreichte. Aus dem tiefsten Versuch errechnet sich eine mittlere Ladeleistung von 162 Milliwatt. Die Werte gelten für die Bedingungen dieses Einsatzes und beschreiben, wie stark die verfügbare Energie mit der Tauchposition abnahm.
Nach dem Laden ließ sich mit der gespeicherten Energie eine LED-Anzeige betreiben, wodurch der Versuch auch einen angeschlossenen Verbraucher einschloss. Für künftige Messsonden ist besonders die Kombination aus Stromerzeuger und Speicher interessant, weil Messung und Datenübertragung zeitweise Energie benötigen können. Ein Gerät könnte Licht sammeln und seinen Akku zwischen aktiven Phasen ergänzen, sofern Ertrag und Verbrauch zusammenpassen. Wie häufig eine Kamera Bilder aufnehmen oder ein Sender Daten übertragen kann, hängt dann vom jeweiligen Gerät und seinem Betriebsplan ab.
Wasser verändert auf dem Weg nach unten sowohl die Helligkeit als auch die Zusammensetzung des Sonnenlichts, das die Module erreicht. Rote Anteile werden stärker absorbiert, während blaues Licht weiter vordringt, wie die US-Meeresbehörde NOAA anhand der Meeresfarbe erklärt. Schwebende Sedimente und andere Partikel beeinflussen zusätzlich, welche Strahlung an einem bestimmten Standort durch das Wasser gelangt. Eine klare Meeresbucht und ein trübes Küstengewässer bieten deshalb auch bei vergleichbarer Tiefe unterschiedliche Voraussetzungen für einen Solargenerator.
Die Entwickler nutzten bleihaltigen Halogenid-Perowskit, dessen elektronische Eigenschaften sich über die Zusammensetzung an den gewünschten Lichtbereich anpassen lassen. Seine Bandlücke, die Energieschwelle für die Aufnahme nutzbarer Lichtteilchen, liegt bei ungefähr 1,96 Elektronenvolt und passt zum überwiegend blaugrünen Unterwasserlicht. Herkömmliches Silizium wird unter Wasser dadurch benachteiligt, dass ihm ein großer Teil des an Land verfügbaren nahinfraroten Lichts fehlt. Unter standardisiertem terrestrischem Sonnenlicht erreichten die modifizierten Zellen einen zertifizierten Wirkungsgrad von 16,79 Prozent, gemessen unter einer anderen spektralen Zusammensetzung.
Für den hohen Laborwirkungsgrad setzt das Team den Zusatz Polyhexamethylenguanidinhydrochlorid ein, der unter der Abkürzung PHMG beschrieben wird. Dieses Polymer beeinflusst das Kristallwachstum, verringert störende Defekte und hemmt die Wanderung von Ionen innerhalb des lichtaktiven Materials. Damit gehen weniger erzeugte Ladungen verloren, bevor sie die elektrischen Kontakte erreichen, und die empfindliche Struktur wird stabiler. Solche Eingriffe in einzelne Zellbestandteile ergänzen andere Ansätze für langlebigere Perowskit-Solarzellen, die ebenfalls an chemischen Schwachstellen ansetzen.
Gemessen wurde die Effizienz mit einer eigens aufgebauten Beleuchtung, deren optische Filter das Licht unter der Meeresoberfläche nachbildeten. Der Prozentwert beschreibt den Anteil der an der Zelle ankommenden Lichtleistung, der dort in elektrische Leistung umgewandelt wird. Eine schmalere Auswahl geeigneter Lichtfarben lässt sich besonders effizient verwerten, während die gesamte verfügbare Strahlungsmenge beim Abtauchen geringer wird. Für die Planung eines Unterwassergeräts müssen deshalb sowohl der Wirkungsgrad als auch die am Standort verfügbare Lichtleistung berücksichtigt werden.
Zur Prüfung der Stabilität betrieb das Team seine Zellen zunächst 1.160 Stunden lang unter nachgebildetem Unterwasserlicht am Punkt maximaler elektrischer Leistung. Dabei zeigte sich laut Untersuchung kein wesentlicher Leistungsabfall, was die Materialrezeptur unter diesen kontrollierten Bedingungen stützt. In einer getrennten Lagerprüfung blieben nach 300 Tagen in einer stickstoffgefüllten Handschuhbox etwa 96 Prozent der anfänglichen Effizienz erhalten. Solche Versuche untersuchen unterschiedliche Belastungen: laufenden Betrieb unter Licht einerseits und die Beständigkeit während geschützter Aufbewahrung andererseits.
Die längere Zeitspanne berechneten die Wissenschaftler aus beschleunigten Alterungstests für eine angenommene Temperatur von 25 Grad Celsius. Gemeint ist die erwartete Dauer, bis die Zellen noch 80 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung liefern, unter den im Modell zugrunde gelegten Bedingungen. Für eine technische Lebensdauer im Freiland müssten zusätzlich die Verpackung, die elektrischen Verbindungen und die gesamte Anlage dauerhaft funktionieren. Der berechnete Kennwert betrifft damit eine andere Frage als die Zuverlässigkeit eines vollständigen Geräts bei wechselndem Wetter, Strömung und Bewuchs.
Eine technische Vorgeschichte besitzt das Verfahren beim U.S. Naval Research Laboratory, das schon 2012 andere Halbleiter für untergetauchte Sensoren erprobte. Zellen aus Gallium-Indium-Phosphid erreichten dort sieben Watt je Quadratmeter und waren auf die Nutzung sichtbarer Strahlung zugeschnitten. Zu ihren Vorteilen gehörte ein geringer Dunkelstrom, also ein kleiner unerwünschter Stromfluss, der bei schwacher Beleuchtung besonders ins Gewicht fällt. Die Arbeit aus China erweitert dieses Forschungsfeld um eine gezielt abgestimmte Perowskit-Rezeptur und deren Umsetzung in größere Versuchsmodule.
Bei bleihaltigen Solarzellen gehört die schützende Hülle zu den wichtigen Aufgaben, besonders wenn Wasser die Bauteile dauerhaft umgibt. Wie sich Schäden untersuchen lassen, demonstrierte eine eigenständige Arbeit am Okinawa Institute of Science and Technology. Das Team um Yabing Qi zerschlug Module zur Nachbildung starker Hagelschäden und übergoss sie anschließend mit saurem Wasser als Regenersatz. Eine Epoxidharzschicht verringerte den Austritt des Schwermetalls erheblich; die Ergebnisse gelten für die dort geprüfte Konstruktion und ihre Belastungstests.
Auf länger im Meer verbleibenden Oberflächen können sich zudem Organismen ansiedeln und damit die Durchlässigkeit der lichtzugewandten Schicht verändern. Eine wissenschaftliche Perspektive in Nature Photonics nennt wirksame Schutzschichten gegen solchen Bewuchs als eigenständige Entwicklungsaufgabe für die Stromerzeugung im Meer. Für eine Solarfläche zählt dabei auch die optische Eigenschaft ihrer äußeren Hülle, durch die weiterhin genügend nutzbares Licht gelangen muss. Materialschutz und Lichtdurchlässigkeit müssen deshalb zusammenpassen, wenn ein Modul über längere Zeit ohne häufige Reinigung an einer Messstation bleiben soll.
Als nächsten praktischen Schritt will Zhangs Team seine Module weiter absenken und die untere Einsatzgrenze der Technik ermitteln. Gesucht ist die Tiefe, in der das verbleibende Sonnenlicht den Betrieb angeschlossener Geräte noch sinnvoll unterstützen kann. Zugleich sollen gemeinsame Prüfverfahren entstehen, mit denen sich unterschiedliche Unterwasserzellen unter vergleichbaren Lichtbedingungen untersuchen lassen. Einen festen Termin oder eine bereits nachgewiesene maximale Betriebstiefe für solche Folgeversuche nennt die Mitteilung von Cell Press bislang nicht.
Joule, Submerged solar harvesting with wide-band-gap perovskites for autonomous underwater energy systems; doi:10.1016/j.joule.2026.102672
Nature Photonics, A dive into underwater solar cells; doi:10.1038/s41566-023-01276-z
U.S. Naval Research Laboratory, Photovoltaic Cells Tap Underwater Solar Energy
Mit KI-Unterstützung erstellt
Wählen Sie Forschung und Wissen bei Google als bevorzugte Quelle oder folgen Sie uns per RSS-Feed.
