เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์แบบ Wide-band-gap ทำงานได้ดีกว่าเมื่ออยู่ใต้น้ำมากกว่าเซลล์แบบแถบความถี่แคบที่ใช้ในอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอนทั่วไป การค้นพบนี้โดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยนิวยอร์ก (NYU) สหรัฐอเมริกา อาจช่วยในการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อขับเคลื่อนยานยนต์ใต้น้ำและเซ็นเซอร์อัตโนมัติ
ยานพาหนะใต้น้ำไม่สามารถทำงานได้เป็นเวลานาน
เนื่องจากขาดแหล่งพลังงานที่ทนทาน ในปัจจุบัน มักใช้แบตเตอรี่ การเชื่อมต่อกับพลังงานกริดบนชายฝั่ง หรือพลังงานที่ได้จากเซลล์แสงอาทิตย์ที่อยู่เหนือน้ำ เช่น บนเรือผิวน้ำ แผงโซลาร์เซลล์แบบออนบอร์ดอาจเป็นทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับรถยนต์ที่ต้องการพลังงานในระยะยาวโดยอยู่ห่างไกลจากฝั่งหรือเรือสนับสนุน แต่เซลล์แสงอาทิตย์ทั่วไปที่ใช้ซิลิกอนหรืออสัณฐานซิลิกอนนั้นยังห่างไกลจากอุดมคติสำหรับการใช้งานใต้น้ำ เนื่องจากช่องว่างในแถบแคบที่ประมาณ 1.1 และ 1.8 eV ตามลำดับ เซลล์ประเภทนี้จะดูดซับแสงสีแดงและอินฟราเรดจำนวนมาก น่าเสียดายที่น้ำสามารถดูดซับความยาวคลื่นเหล่านี้ได้ดีมาก แม้ในระดับความลึกตื้น Jason A Röhr หัวหน้าทีมวิจัยอธิบาย
ในทางตรงกันข้าม แสงสีน้ำเงินและสีเหลือง (400–600 นาโนเมตร) ถูกน้ำดูดซึมได้น้อยกว่า ซึ่งหมายความว่าแสงสามารถทะลุผ่านใต้พื้นผิวได้มากขึ้น สำหรับ Röhr และเพื่อนร่วมงานของเขาในห้องทดลอง Transformative Materials and Devices Lab ของAndré Taylor ที่ Tandon School of Engineering ของ NYU ได้ เสนอแนะว่าเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างระหว่างแถบกว้างน่าจะ “พอดี” มากกว่าสำหรับการจ่ายพลังงานใต้น้ำ เขากล่าว
แบบจำลองสมดุลโดยละเอียด
ในการตรวจสอบเซมิคอนดักเตอร์ประเภทนี้เพิ่มเติม ทีมงานได้ใช้แบบจำลองสมดุลโดยละเอียดเพื่อวัดขีดจำกัดประสิทธิภาพของวัสดุดูดซับแสงที่แตกต่างกันในมหาสมุทรและทะเลสาบต่างๆ ทั่วโลก ซึ่งรวมถึงบางส่วนของมหาสมุทรแอตแลนติกและแปซิฟิกที่ค่อนข้างใสและดูดซับแสงได้ดี และทะเลสาบในฟินแลนด์ซึ่งมีความขุ่นมากกว่าและมีลักษณะการดูดกลืนแสงที่ด้อยกว่า
แบบจำลองจะคำนวณประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของเซลล์แสงอาทิตย์ใต้น้ำ ซึ่งกำหนดโดยอัตราส่วนของเอาต์พุตความหนาแน่นของพลังงานp ออกต่อความหนาแน่นของพลังงานที่ป้อนเข้าจากสเปกตรัมแสงอาทิตย์ p ใน จากนั้นจะวัดกำลังขับจากจุดกำลังสูงสุดบนกราฟความหนาแน่นกระแสไฟของเซลล์แสงอาทิตย์ (JV) p out = J max V maxและวัดp in โดยการรวมความหนาแน่นของโฟตอนฟลักซ์ นั่นคือ จำนวนโฟตอนที่กระทบพื้นผิวของเซลล์ – เมื่อเวลาผ่านไป โดยการรวมสเปกตรัมการดูดกลืนที่กำหนดร่วมกับค่าที่ทราบสำหรับพลังงานช่องว่างแถบความถี่ของเซมิคอนดักเตอร์ ความลึกต่ำกว่าระดับน้ำทะเล และอุณหภูมิของน้ำ นักวิจัยจึงได้รับขีดจำกัดประสิทธิภาพสมดุลโดยละเอียดของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในตำแหน่งต่างๆ
สำหรับข้อมูลที่ป้อนเข้า นักวิจัยได้กลั่นกรองบทความ
ที่ตีพิมพ์มากกว่า 400 บทความเพื่อค้นพบสเปกตรัมการดูดกลืนแสงที่ไม่เพียงแต่ครอบคลุมบริเวณสเปกตรัมที่เกี่ยวข้องเท่านั้น แต่ยังเป็นตัวแทนของพื้นที่ต่างๆ บนโลกด้วย “เราต้องการให้แน่ใจว่าเราไม่ได้พิจารณาแค่น้ำที่ใสที่สุด” Röhr อธิบาย
การคำนวณซึ่งมีรายละเอียดเป็นจูลเผยให้เห็นว่าที่ความลึกสองเมตร ตัวดูดซับโซลาร์เซลล์จะทำงานได้ดีที่สุดโดยมีช่องว่างแถบความถี่ 1.8 eV ในขณะที่ 50 เมตร ช่องว่างแถบความถี่ 2.4 eV นั้นเหมาะสมที่สุด ประสิทธิภาพการปรับสมดุลของอุปกรณ์อยู่ระหว่างประมาณ 55% ในน้ำตื้นจนถึงมากกว่า 65% ที่ระดับความลึกมากกว่า ในขณะที่ให้พลังงานมากกว่า 5 mW / cm2 ประสิทธิภาพเหล่านี้เพิ่มขึ้นในน้ำเย็น และนักวิจัยพบว่าทั้งประสิทธิภาพสมดุลและกำลังไฟฟ้าออกไม่ขึ้นกับตำแหน่งทางภูมิศาสตร์ นี่เป็นข่าวดีเพราะหมายความว่าเซลล์สุริยะสามารถปรับให้เข้ากับความลึกของการดำเนินงานที่เฉพาะเจาะจงมากกว่าสถานที่
เซมิคอนดักเตอร์ใต้น้ำที่ดีที่สุดดังนั้นเซมิคอนดักเตอร์ประเภทใดที่เหมาะกับความต้องการเหล่านี้มากที่สุด? จากข้อมูลของ Röhr เซลล์สุริยะที่ดีได้แก่ โซลาร์เซลล์ที่ทำจากวัสดุอินทรีย์ ซึ่งมีน้ำหนักเบา ราคาถูกในการผลิต และทำงานได้ดีภายใต้สภาวะแสงน้อย ตัวอย่างเช่น โพลี (3-hex-ylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) มีช่องว่างแถบประมาณ 2.1 eV สามารถผลิตได้ในปริมาณมาก และเหมาะสำหรับการใช้งานในน้ำตื้น วัสดุเช่น rubrene (2.2 eV band gap) และ pentacene (2.2 eV) จะทำงานได้ดีที่ระดับความลึกมาก เช่นเดียวกับอนุพันธ์ poly(p-phenylene vinylene) (2.3–2.4 eV)
อีกทางหนึ่ง โลหะผสมที่ทำด้วยธาตุจากกลุ่ม III และ V ของตารางธาตุ เช่น ternary และ quaternary cadmium zinc telluride (CZT), copper zinc antimony sulphide (CZAS), AlGaAs, InGaP และ GaAsP ก็อาจเป็นผลดีเช่นกัน เพราะมีการปรับแต่งได้ ช่องว่างของแถบและสามารถปรับแต่งให้ดูดซับแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในระดับความลึกต่างๆ
แม้ว่าองค์ประกอบของวัสดุเก็บแสงแดดใต้น้ำจะแตกต่างไปจากเซลล์แสงอาทิตย์ทั่วไป แต่การออกแบบทั่วไปของพวกมันก็ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงอะไรมากขนาดนั้น Röhr กล่าว เห็นได้ชัดว่าพวกเขาจะต้องกันน้ำและมีเสถียรภาพเป็นเวลานานในสภาพแวดล้อมทางทะเล แต่นักวิจัยได้แสดงให้เห็นแล้วว่าแผงโซลาร์เซลล์ซิลิคอนสามารถห่อหุ้มและยังคงจมอยู่ใต้น้ำเป็นเวลาหลายเดือนโดยไม่สูญเสียการแปลงพลังงานอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นจึงอาจใช้เทคนิคการห่อหุ้มที่คล้ายกันเพื่อทำให้เซลล์สุริยะที่ผลิตจากเซมิคอนดักเตอร์แบบช่องว่างแถบกว้างมีความเสถียร
“อีกวิธีหนึ่ง เมื่อเร็ว ๆ นี้เราได้แสดงให้เห็นว่าเซลล์สุริยะอินทรีย์สามารถยืดหยุ่นต่อน้ำได้โดยการคัดเลือกตัวรับอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวด้านบนของวัสดุ” Röhrกล่าวกับPhysics World “อย่างไรก็ตาม เรายังคงต้องแสดงให้เห็นว่าเซลล์ประเภทนี้สามารถสร้างขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเซลล์ที่มีซิลิกอนแบบเดิม”
Credit : saglikpersoneliplatformu.com sanatorylife.com semperfidelismc.com shopcoachfactory.net skyskraperengel.net
