Las células solares cargan las baterías a 10 metros de profundidad frente a la costa de China

Frente a la isla Weizhou, en el Mar de China Meridional, células solares colocadas a 10 metros de agua proporcionaron electricidad a las baterías de iones de litio. El equipo dirigido por Wen-Hua Zhang de la Universidad de Yunnan ha desarrollado semiconductores que son particularmente adecuados para la luz solar filtrada bajo el agua. Simin Ma y Bing Cai son los primeros coautores del trabajo, en el que también participa la universidad suiza EPFL. Su enfoque combina una receta de material modificada con una prueba práctica fuera del laboratorio.

En las imágenes experimentales, las superficies de las células de color rojo óxido con amplios bordes de sellado blancos se encuentran sobre un dispositivo submarino negro y amarillo, rodeado de tubos amarillos y agua de color verde turquesa. El robot submarino transportó los módulos a sus posiciones de medición, lo que permitió su uso en un entorno natural. Para este tipo de máquinas, el suministro de energía es una de las tareas de desarrollo cruciales, incluso para los nuevos robots submarinos con pocos motores. El experimento chino analizó en primer lugar cuánta energía eléctrica utilizable recogen los módulos.

115 centímetros cuadrados alimentan el sistema de almacenamiento de electricidad

El estudio publicado en Joules da nombre a esta zona activa de la estructura, cuyos intentos de carga duraron dos horas cada uno. En la posición de medición más baja, las baterías almacenaron 324 milivatios hora, mientras que a seis metros el rendimiento fue de 752 y a dos metros de 1.416 milivatios hora. La prueba más baja arroja una potencia de carga media de 162 milivatios. Los valores se refieren a las condiciones de esta operación y describen cuánto disminuye la energía disponible con la posición de inmersión.

Después de la carga, fue posible operar una pantalla LED con la energía almacenada, por lo que el experimento también incluyó un consumidor conectado. La combinación de generador de energía y almacenamiento es particularmente interesante para futuras sondas de medición porque la medición y la transmisión de datos a veces pueden requerir energía. Un dispositivo podría captar luz y recargar la batería entre fases activas, siempre que la potencia y el consumo coincidan. La frecuencia con la que una cámara puede tomar imágenes o un transmisor puede transmitir datos depende del dispositivo respectivo y de su tiempo de funcionamiento.

La luz azul verdosa llega a las células solares frente a Weizhou

A medida que desciende, el agua cambia tanto el brillo como la composición de la luz solar que llega a los módulos. Los componentes rojos se absorben con más fuerza, mientras que la luz azul penetra más, como explica la agencia oceánica estadounidense NOAA basándose en el color del océano. Los sedimentos en suspensión y otras partículas también influyen en la radiación que pasa a través del agua en un lugar determinado. Por lo tanto, una bahía clara y unas aguas costeras turbias plantean requisitos diferentes para un generador solar, incluso a profundidades comparables.

Los desarrolladores utilizaron perovskita de haluro que contiene plomo, cuyas propiedades electrónicas pueden adaptarse mediante su composición al rango de luz deseado. Su banda prohibida, el umbral de energía para absorber partículas luminosas utilizables, es de aproximadamente 1,96 electronvoltios y corresponde a la luz submarina predominantemente azul-verde. El silicio tradicional está en desventaja bajo el agua porque carece de gran parte de la luz infrarroja cercana disponible en tierra. Bajo la luz solar terrestre estandarizada, las células modificadas alcanzaron una eficiencia certificada del 16,79%, medida con una composición espectral diferente.

Un polímero permite un 34,71% en la prueba de luz

Para garantizar una alta eficiencia del laboratorio, el equipo utiliza el aditivo clorhidrato de polihexametilenguanidina, descrito con la abreviatura PHMG. Este polímero influye en el crecimiento de los cristales, reduce los molestos defectos e inhibe la migración de iones dentro del material fotoactivo. Esto significa que se pierden menos cargas generadas antes de que lleguen a los contactos eléctricos y la estructura sensible se vuelve más estable. Estas intervenciones en componentes individuales de las células complementan otros enfoques para células solares de perovskita de vida más larga, que también atacan los puntos químicos débiles.

La eficiencia se midió utilizando iluminación especialmente construida cuyos filtros ópticos simulaban la luz debajo de la superficie del mar. El valor porcentual describe la proporción de emisión de luz que llega a la célula y se convierte en energía eléctrica. Se puede utilizar de forma especialmente eficaz una selección más reducida de colores de luz adecuados, al tiempo que se reduce la cantidad total de radiación disponible durante la inmersión. A la hora de diseñar una luminaria subacuática es necesario tener en cuenta tanto la eficiencia como la potencia lumínica disponible en el lugar.

5,49 años provienen de un cálculo de antigüedad

Para probar la estabilidad, el equipo primero hizo funcionar las células durante 1.160 horas bajo luz submarina simulada en el punto de máxima potencia eléctrica. Según el estudio, no hubo una caída significativa en el rendimiento, lo que respalda la formulación del material en estas condiciones controladas. En una prueba de almacenamiento separada, aproximadamente el 96 % de la eficiencia inicial se mantuvo después de 300 días en una caja de guantes llena de nitrógeno. Estas pruebas examinan diversas tensiones: por un lado, el funcionamiento continuo con luz y, por otro, la durabilidad durante el almacenamiento protegido.

Los científicos calcularon el período de tiempo más largo a partir de las pruebas de envejecimiento acelerado para una temperatura supuesta de 25 grados centígrados. Esto se refiere a la duración esperada hasta que las celdas aún proporcionen el 80% de su potencia original en las condiciones utilizadas en el modelo. Para una durabilidad técnica en campo abierto, el embalaje, las conexiones eléctricas y todo el sistema también deben funcionar de forma permanente. Por lo tanto, el valor característico calculado es una cuestión diferente a la fiabilidad de un dispositivo completo en caso de cambios en el clima, las corrientes y la vegetación.

Las células solares estadounidenses ya suministran electricidad a 9,1 metros de profundidad

El proceso tiene una historia técnica en el Laboratorio de Investigación Naval de Estados Unidos, que probó otros semiconductores para sensores sumergidos en 2012. Las células de fosfuro de galio-indio alcanzaron siete vatios por metro cuadrado y fueron adaptadas para el uso de radiación visible. Una de sus ventajas era la baja corriente oscura, es decir, un pequeño flujo de corriente no deseado, lo que es especialmente importante en caso de iluminación débil. El trabajo realizado en China amplía este campo de investigación con una receta de perovskita específicamente personalizada y su implementación en módulos de prueba más grandes.

La resina epoxi detiene las fugas de plomo en Okinawa

Para las células solares que contienen plomo, la cubierta protectora es una de las tareas más importantes, especialmente si el agua rodea permanentemente los componentes. Un trabajo independiente del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa ha demostrado cómo es posible examinar los daños. El equipo de Yabing Qi destruyó los módulos para recrear los graves daños causados ​​por el granizo y luego los roció con agua ácida para reemplazar la lluvia. Una capa de resina epoxi reduce significativamente las fugas de metales pesados; Los resultados se aplican a la construcción allí probada y a las pruebas de carga relacionadas.

Los organismos también pueden asentarse en superficies que permanecen en el mar durante más tiempo, cambiando así la permeabilidad de la capa expuesta a la luz. Desde el punto de vista científico, en Nature Photonics se definen capas protectoras eficaces contra dicho crecimiento como una tarea de desarrollo independiente para la producción de electricidad en el mar. Para una superficie solar, también son importantes las propiedades ópticas de su capa exterior, a través de la cual debe seguir pasando una cantidad suficiente de luz utilizable. Por lo tanto, la protección del material y la transmisión de luz deben ir de la mano si un módulo debe permanecer durante más tiempo en una estación de medición sin una limpieza frecuente.

Como próximo paso práctico, el equipo de Zhang quiere reducir aún más sus módulos y determinar el límite inferior de aplicación de la tecnología. Lo que se busca es la profundidad a la que la luz solar residual todavía puede favorecer significativamente el funcionamiento de los dispositivos conectados. Al mismo tiempo, es necesario desarrollar procedimientos de prueba comunes con los que se puedan examinar diferentes células submarinas en condiciones de iluminación comparables. El anuncio de Cell Press aún no especifica una fecha firme ni una profundidad operativa máxima comprobada para dichas pruebas de seguimiento.

Joule, captación solar sumergida con perovskitas de banda ancha para sistemas autónomos de energía submarina; doi:10.1016/j.joule.2026.102672

Nature Photonics, una inmersión en las células solares submarinas; doi:10.1038/s41566-023-01276-z

Laboratorio de Investigación Naval de EE.UU., células fotovoltaicas que aprovechan la energía solar submarina

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