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美国科学家发现，有很多被忽视的有机或无机材料可在水下利用太阳光，从而为自动潜水器高效供能。近日发表于《焦耳》的这项研究，为不同水深制定了最优带隙值准则，阐明了多种宽带隙半导体是水下使用的最佳装备，而非传统硅太阳能电池中的窄带隙半导体。
论文作者之一、纽约大学坦登工程学院博士后研究员Jason A. R?觟hr说：“截至目前，总体趋势是使用传统硅电池，但我们发现它远不尽人意，一旦深度较深，硅会吸收大量红光和红外光，而水也会吸收这两种光。有了我们制定的准则，更多优选材料将被开发出来。”
例如用于探索深海的潜水器，目前正受限于陆上电力或机载电池不足，导致无法实现远距离及长时间航行。太阳能电池技术已经从陆地进入外太空，这给了潜水器更多自由漫游的机会。但水下世界存在独特的挑战。水能够散射并吸收大多可见光谱，在较浅深度时便吸收了红色太阳能波长，使硅基太阳能电池毫无捕捉机会。
先前大多试图开发水下太阳能电池的研究都是基于硅或非晶硅，它们带隙较窄，是陆地上吸收光照的最佳选择。然而，在其他光波波长消失时，蓝光和黄光依然可以深入穿透水体，这表明传统太阳能电池中不采用的宽带隙半导体可能是水下功能的更好选择。
为了更好理解水下太阳能电池的潜能，R?觟hr和同事测试了从太平洋到大西洋的最清澈水域，以及浑浊的芬兰湖泊的水体，利用一个精准平衡的模型测定了太阳能电池在每个地点的效率极限。发现太阳能电池可在地球最清澈的水体50米深处吸收太阳能，而寒冷的水能进一步提高电池效率。
经研究人员计算，太阳能电池吸收器在水下2米、以1.8电子伏特带隙，或水下50米、以2.4电子伏特带隙能够发挥最佳功能。这些数值在所有研究水域中保持恒定，证明太阳能电池应根据特定工作深度而非水域位置来设制。
R?觟hr注意到，能够在低光线条件下较好发挥功能的廉价有机材料太阳能电池，以及由3到5种元素制成的合金也是深水中的理想材料。虽然构成这些半导体的物质与陆地用太阳能电池不同，但整体设计依然相似。
“太阳光吸收材料必须做出改变，但答案的设计并不需要大的改动。”R?觟hr说，“为了防止环境中的损伤，传统的硅太阳能电池板——就是可以在房顶上找到的那种——经过了封装。研究显示，这些电池板在没有持续损伤的情况下，可以浸入水中工作数月。优选材料所制成的太阳能电池板也可以采取类似的封装方法。”现在他们已经揭示了水下太阳能电池高效工作的要点，研究人员计划研发优选材料。
“这会非常有趣！”R?觟hr说，“我们已经研究出了在水下高度稳定的未封装有机电池，但依然需要证明这种电池比传统电池更高效。我们相信不久就会在市场上见到新型的令人激动的太阳能电池。”
来源：中国科学报
来源：中国科学报
原文链接：http://news.sciencenet.cn//sbhtmlnews/2020/4/354485.shtm
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