เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างแถบความถี่กว้างจะทำงานใต้น้ำได้ดีกว่าเซลล์ที่มีช่องว่างแถบความถี่แคบที่ใช้ในอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอนทั่วไป การค้นพบนี้โดยนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยนิวยอร์ก (NYU) ประเทศสหรัฐอเมริกา สามารถช่วยในการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อจ่ายพลังงานให้กับยานใต้น้ำและเซ็นเซอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเองได้
ยานพาหนะ
ใต้น้ำไม่สามารถทำงานได้เป็นเวลานานเนื่องจากไม่มีแหล่งพลังงานที่ทนทาน ในปัจจุบัน โดยทั่วไปแล้ว พวกเขาพึ่งพาแบตเตอรี่ การเชื่อมต่อกับพลังงานกริดตามชายฝั่ง หรือพลังงานที่ได้จากเซลล์แสงอาทิตย์ที่อยู่เหนือน้ำ เช่น บนเรือผิวน้ำ แผงโซลาร์บนเรืออาจเป็นทางเลือกที่น่าสนใจ
สำหรับยานพาหนะที่ต้องการพลังงานระยะยาวซึ่งห่างไกลจากชายฝั่งหรือเรือสนับสนุน แต่เซลล์แสงอาทิตย์แบบทั่วไปที่ใช้ซิลิคอนหรืออะมอร์ฟัสซิลิคอนนั้นยังห่างไกลจากอุดมคติสำหรับการใช้งานใต้น้ำ เนื่องจากช่องว่างแถบแคบประมาณ 1.1 และ 1.8 eV ตามลำดับ เซลล์ประเภทนี้จึงดูดซับแสงสีแดง
และอินฟราเรดจำนวนมาก โชคไม่ดีที่น้ำสามารถดูดซับความยาวคลื่นเหล่านี้ได้ดีมาก แม้ในระดับความลึกตื้นก็ตาม ผู้เขียนนำการศึกษาอธิบาย ในทางตรงกันข้าม แสงสีน้ำเงินและสีเหลือง (400–600 นาโนเมตร) นั้นดูดซึมน้ำได้น้อยกว่า ซึ่งหมายความว่าสามารถทะลุผ่านลงไปใต้พื้นผิวได้มากขึ้น
สำหรับ Röhr และเพื่อนร่วมงานของเข สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแถบความถี่กว้างกว่านั้นน่าจะ “พอดี” กว่าสำหรับการจ่ายพลังงานใต้น้ำ เขากล่าว แบบจำลองความสมดุลโดยละเอียดเพื่อตรวจสอบเซมิคอนดักเตอร์ประเภทนี้เพิ่มเติม ทีมงานได้ใช้แบบจำลองสมดุลโดยละเอียดเพื่อวัดขีดจำกัด
ประสิทธิภาพของวัสดุดูดซับแสงชนิดต่างๆ ในมหาสมุทรและทะเลสาบต่างๆ ทั่วโลก สิ่งเหล่านี้รวมถึงบางส่วนของมหาสมุทรแอตแลนติกและมหาสมุทรแปซิฟิกที่ค่อนข้างใสและดูดซับแสงได้ดี และทะเลสาบในฟินแลนด์ซึ่งมีความขุ่นมากกว่าและมีลักษณะการดูดกลืนแสงที่ต่ำ
แบบจำลอง
คำนวณประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของเซลล์แสงอาทิตย์ใต้น้ำ ซึ่งกำหนดโดยอัตราส่วนของเอาต์พุตความหนาแน่นพลังงานp ออกต่ออินพุตความหนาแน่นพลังงานจากสเปกตรัมแสงอาทิตย์ p ใน จากนั้นวัดกำลังขับจากจุดกำลังสูงสุดบนกราฟความหนาแน่นกระแส-แรงดัน (JV) ของเซลล์
แสงอาทิตย์p out = J สูงสุดV สูงสุดและวัดp ใน โดยการรวมความหนาแน่นฟลักซ์ของโฟตอน ซึ่งก็คือจำนวนโฟตอนที่กระทบกับผิวเซลล์เมื่อเวลาผ่านไป โดยการรวมสเปกตรัมการดูดกลืนที่กำหนดเข้ากับค่าที่ทราบสำหรับพลังงานแถบความถี่ของเซมิคอนดักเตอร์ ความลึกต่ำกว่าระดับน้ำทะเล
และอุณหภูมิของน้ำ นักวิจัยจึงได้ค่าจำกัดประสิทธิภาพสมดุลโดยละเอียดของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในตำแหน่งต่างๆสำหรับข้อมูลอินพุต นักวิจัยได้กลั่นกรองบทความที่ตีพิมพ์มากกว่า 400 บทความเพื่อค้นพบสเปกตรัมการดูดกลืนแสงที่ไม่เพียงแต่ครอบคลุมบริเวณสเปกตรัมที่เกี่ยวข้องเท่านั้น
แต่ยังเป็นตัวแทนของหลายพื้นที่บนโลกด้วย “เราต้องการให้แน่ใจว่าเราไม่ได้พิจารณาแค่น้ำที่ใสที่สุด” การคำนวณซึ่งมีรายละเอียดอยู่ในJouleเผยให้เห็นว่าที่ระดับความลึก 2 เมตร ตัวดูดซับเซลล์แสงอาทิตย์จะทำงานได้ดีที่สุดโดยมีช่องว่างของแบนด์ 1.8 eV ในขณะที่ที่ 50 เมตร
ช่องว่างของแบนด์ 2.4 eV จะเหมาะสมที่สุด ประสิทธิภาพการทรงตัวของอุปกรณ์อยู่ในช่วงตั้งแต่ประมาณ 55% ในน้ำตื้นไป จนถึงมากกว่า 65% ที่ระดับความลึกมากขึ้น ในขณะที่สร้างพลังงานได้มากกว่า 5 mW/ cm2 ประสิทธิภาพเหล่านี้เพิ่มขึ้นในน้ำเย็น และนักวิจัยพบว่าทั้งประสิทธิภาพ
การทรงตัว
และกำลังขับไม่ขึ้นกับตำแหน่งทางภูมิศาสตร์ นี่เป็นข่าวดีเพราะหมายความว่าเซลล์แสงอาทิตย์สามารถปรับให้เหมาะกับความลึกในการใช้งานเฉพาะเจาะจงมากกว่าตำแหน่งที่ตั้ง เซมิคอนดักเตอร์ใต้น้ำที่ดีที่สุดเซมิคอนดักเตอร์ประเภทใดที่เหมาะกับความต้องการเหล่านี้มากที่สุด
จากข้อมูลของ Röhr ผู้สมัครที่ดี ได้แก่ เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากวัสดุอินทรีย์ ซึ่งมีน้ำหนักเบา ราคาถูกในการผลิต และทำงานได้ดีภายใต้สภาพแสงน้อย ตัวอย่างเช่น มีช่องว่างของแถบความถี่ประมาณ 2.1 eV สามารถผลิตในปริมาณมากได้ง่าย และเหมาะสำหรับการใช้งานในน้ำตื้น วัสดุเช่น
จะทำงานได้ดีที่ความลึกมาก เช่นเดียวกับอนุพันธ์ของโพลี นอกจากนี้ โลหะผสมที่ทำจากธาตุหมู่ III และ V ของตารางธาตุ เช่น เทอร์นารีและควอเทอร์นารีแคดเมียมซิงค์เทลลูไรด์ (CZT), คอปเปอร์ซิงค์แอนติโมนีซัลไฟด์ ก็อาจใช้ได้ดีเช่นกันเพราะสามารถปรับค่าได้ ช่องว่างของแถบ
แม้ว่าองค์ประกอบของวัสดุเก็บเกี่ยวจากแสงอาทิตย์ใต้น้ำจะแตกต่างไปจากเซลล์แสงอาทิตย์ทั่วไป แต่การออกแบบทั่วไปของวัสดุเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงอะไรมากนัก Röhr กล่าว เห็นได้ชัดว่าพวกมันจำเป็นต้องกันน้ำได้และมีความเสถียรเป็นเวลานานในสภาพแวดล้อมทางทะเล แต่นักวิจัยได้แสดงให้
เห็นแล้วว่าแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอนสามารถห่อหุ้มและอยู่ใต้น้ำได้นานหลายเดือนโดยไม่สูญเสียพลังงานอย่างมีนัยสำคัญในการแปลงพลังงาน ดังนั้นจึงอาจใช้เทคนิคการห่อหุ้มที่คล้ายกันเพื่อทำให้เซลล์แสงอาทิตย์เสถียรซึ่งทำจากเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างแถบความถี่กว้าง
ว่า”อีกวิธีหนึ่งคือ เมื่อเร็ว ๆ นี้เราได้แสดงให้เห็นว่าเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์สามารถคืนตัวกับน้ำได้ โดยการเลือกเอาตัวรับอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวด้านบนของวัสดุ” “อย่างไรก็ตาม เรายังจำเป็นต้องแสดงให้เห็นว่าเซลล์ประเภทนี้สามารถสร้างให้มีประสิทธิภาพมากกว่าเซลล์ที่มีซิลิกอนแบบดั้งเดิม”
credit : เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์
