Il fotovoltaico scende sott'acqua: nuove celle solari funzionano a 10 metri di profondità

Ricercatori della Yunnan University e della Southwest United Graduate School hanno dimostrato il funzionamento di celle solari subacquee a una profondità di 10 metri nel Mar Cinese Meridionale. Un risultato che supera nettamente i precedenti limiti della tecnologia, finora sperimentata in acque poco profonde, generalmente entro i due metri, dove la luce solare è ancora abbondante ma le possibilità di applicazione pratica sono limitate.

A una profondità maggiore e con una durata operativa continua stimata in circa 5,5 anni, questa tecnologia potrebbe fornire una fonte di energia a lungo termine per sensori subacquei, telecamere e sistemi di comunicazione.

"Sono stati pubblicati pochissimi studi sulle celle solari subacquee e tutti si concentrano su profondità molto ridotte, pari a soli due metri o meno, uno scenario ben lontano dal soddisfare i requisiti di un'applicazione pratica", ha affermato Wen-Hua Zhang, autore dello studio. "Questo lavoro presenta la prima validazione funzionale di celle solari sommerse che funzionano effettivamente a una profondità dell'acqua fino a circa 10 metri, ampliando notevolmente il loro campo di applicazione", ha aggiunto Zhang.

Le celle solari al silicio commerciali sono progettate per catturare un ampio spettro della luce solare terrestre, compresi i raggi rossi e infrarossi. Sott'acqua, però, le celle al silicio perdono gran parte della loro efficienza perché l'acqua marina assorbe rapidamente le componenti rossa e infrarossa della luce, lasciando passare soprattutto le lunghezze d'onda blu e verde.

Per superare questo limite, il team di Zhang ha progettato celle solari al perovskite ad ampia banda proibita (wide-bandgap), ottimizzate per catturare le lunghezze d'onda comprese tra il blu e l'arancione, che riescono a penetrare più efficacemente nelle acque oceaniche.

Le celle solari subacquee sviluppate dal gruppo cinese hanno generato 324 mWh di elettricità in sole due ore, una quantità di energia sufficiente a ricaricare batterie standard agli ioni di litio. Il team ha condotto i test al largo delle isole Weizhou, installando i moduli solari su droni sottomarini e immergendoli, come detto, fino a 10 metri di profondità.

In condizioni di illuminazione simulate a 10 metri di profondità, le celle hanno raggiunto un'efficienza del 34,71%, rispetto a circa il 17% misurato sotto la luce solare diretta. I ricercatori hanno inoltre osservato che l'acqua marina agisce come un filtro spettrale naturale, riducendo la riflessione della luce e mantenendo le celle più fredde. Questo contribuisce a limitare il surriscaldamento e può migliorare il rendimento dei dispositivi.

Un altro aspetto rilevante riguarda la stabilità nel tempo. Le celle al perovskite soffrono storicamente di una degradazione relativamente rapida, ma i prototipi sviluppati dal team hanno conservato circa il 96% dell'efficienza dopo 300 giorni di stoccaggio. Inoltre, le celle hanno mostrato un degrado pressoché nullo nell'arco di 1.160 ore durante test condotti a una profondità simulata di 10 metri nelle acque al largo delle isole Weizhou, nel Mar Cinese Meridionale.

"Ciò che ci ha sorpreso di più è stata l'enorme quantità di energia elettrica generata dai nostri moduli di ampia superficie in condizioni reali, a una profondità di 10 metri, per sole due ore", ha osservato Zhang. "Inoltre, siamo riusciti a passare da celle di laboratorio di piccole dimensioni a moduli di grandi dimensioni. La combinazione delle ricerche di laboratorio e degli esperimenti sul campo fornisce prove concrete del funzionamento dei sistemi fotovoltaici subacquei", ha aggiunto Zhang.

Restano però diverse sfide da affrontare. Le celle dovranno combinare elevata durata e trasparenza ottica, così da garantire una trasmissione della luce sufficiente a mantenere le prestazioni nel lungo periodo. L'installazione di sistemi fotovoltaici subacquei dovrà inoltre fare i conti con condizioni ambientali difficili, tra cui salsedine corrosiva, elevata pressione e infiltrazioni d'acqua.

Il team intende ora spingersi a profondità maggiori per determinare fino a dove possa essere sfruttata questa tecnologia e, parallelamente, gettare le basi per la definizione di protocolli di test standardizzati per il fotovoltaico subacqueo. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Joule.