I moduli in perovskite hanno prodotto 324 mWh in due ore nel Mar Cinese Meridionale. La durata di 5,5 anni indicata dai ricercatori deriva da test di invecchiamento accelerato
LA NOTIZIA IN BREVE – Sviluppate delle celle solari in perovskite in grado di produrre elettricità anche a 10 metri di profondità nel mare. Il test, condotto nel Mar Cinese Meridionale, ha mostrato che i moduli riescono a sfruttare la parte dello spettro solare che penetra più in profondità nell’acqua, generando 324 mWh in due ore.
L’obiettivo è alimentare direttamente sott’acqua piccoli sensori, telecamere, sistemi di comunicazione e altri dispositivi a basso consumo, riducendo la dipendenza da batterie e cavi. Nei test di laboratorio le celle hanno raggiunto un’efficienza del 34,71% con uno spettro equivalente a quello presente a 10 metri. Più delicato il tema della durata: i 5,5 anni indicati dai ricercatori derivano da prove di invecchiamento accelerato. La verifica decisiva arriverà da esposizioni prolungate in mare, dove biofouling, salinità e infiltrazioni possono incidere sulle prestazioni.
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L’APPROFONDIMENTO – A 10 metri sotto il mare c’è ancora luce sufficiente per produrre elettricità. Lo dimostra un esperimento condotto nel Mar Cinese Meridionale, dove un gruppo di ricercatori cinesi ha immerso moduli fotovoltaici in perovskite progettati per sfruttare la radiazione solare che riesce a raggiungere quella profondità. Durante una prova di due ore il sistema ha generato 324 milliwattora, energia poi utilizzata per ricaricare batterie agli ioni di litio.
Il test è stato realizzato al largo delle isole Weizhou dal gruppo coordinato da Wen-Hua Zhang, dell’Università dello Yunnan e della Southwest United Graduate School. I risultati sono stati pubblicati sulle pagine della rivista scientifica Joule e portano il fotovoltaico subacqueo oltre le sperimentazioni condotte finora soprattutto vicino alla superficie.
Un dato va chiarito. In alcune ricostruzioni della ricerca compare una produzione di 324 Wh in due ore. Lo studio riporta 324 mWh, mille volte meno. La potenza media durante la prova è quindi nell’ordine dei 162 milliwatt. Rispetto ai comuni pannelli fotovoltaici le produzioni sono esigue, “quasi insignificanti”, ma degne di nota perché rendono interessante la tecnologia in un settore molto diverso: sensori ambientali, telecamere, sistemi di comunicazione e piccoli dispositivi autonomi che devono lavorare sott’acqua consumando pochissima energia.
La luce cambia già nei primi metri
Il problema principale per una cella solare immersa è l’acqua, che assorbe rapidamente una parte della radiazione. Rosso e infrarosso scompaiono già alle profondità più basse, mentre una quota maggiore delle lunghezze d’onda comprese nelle regioni del blu e del verde riesce a penetrare più in profondità. A 10 metri lo spettro disponibile è molto diverso da quello che raggiunge un pannello installato su un tetto.
I ricercatori hanno sviluppato una perovskite con un bandgap di circa 1,96 elettronvolt, adatta a utilizzare proprio quella parte della luce. Nel materiale è stato inserito anche PHMG, cloridrato di poliesametilene guanidina, un composto utilizzato nello studio per ridurre i difetti della struttura cristallina, limitare la migrazione degli ioni e favorire il trasporto delle cariche elettriche.
Il gruppo ha poi costruito un sistema capace di riprodurre in laboratorio gli spettri luminosi presenti a differenti profondità. Le celle sono state testate prima in condizioni controllate e successivamente montate su un sistema robotico portato in mare. I moduli hanno prodotto elettricità anche durante una prova reale a circa 10 metri di profondità.
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Un’efficienza del 34,71% con la luce che arriva a 10 metri
Durante i test di laboratorio le celle hanno raggiunto un’efficienza di conversione del 34,71% utilizzando una luce simulata equivalente a quella disponibile a 10 metri sott’acqua. Il valore misura la quota della radiazione disponibile che la cella riesce a trasformare in elettricità. A quella profondità l’energia luminosa complessiva è molto inferiore rispetto alla superficie, mentre lo spettro residuo coincide bene con quello per cui la perovskite è stata progettata.
Sotto la normale illuminazione solare di riferimento AM1.5G, la stessa tecnologia ha raggiunto invece un’efficienza certificata del 16,79%.
La prova in mare fornisce un’indicazione più immediata delle quantità in gioco: 324 mWh raccolti in due ore.
La resa potrà cambiare molto da un luogo all’altro. La quantità di luce disponibile sott’acqua dipende infatti dalla trasparenza, dai sedimenti sospesi, dal fitoplancton, dalle condizioni meteorologiche e naturalmente dalla profondità.
Per un piccolo dispositivo elettronico conta però anche un altro fattore: produrre poca energia in modo continuo può essere più utile che immagazzinarne molta in una batteria destinata prima o poi a scaricarsi.
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Il problema delle batterie sott’acqua
Sensori oceanografici e strumenti di monitoraggio possono restare immersi per mesi. L’autonomia energetica diventa quindi uno dei vincoli principali. Una batteria richiede il recupero periodico dell’apparecchiatura o un sistema di ricarica. Un collegamento via cavo aumenta costi, complessità e difficoltà di installazione, soprattutto quando il punto di osservazione si trova lontano dalla costa.
Un piccolo pannello subacqueo potrebbe ricaricare lentamente un accumulatore durante le ore di luce e alimentare strumenti che lavorano con consumi molto bassi. Le applicazioni più immediate riguardano il monitoraggio di temperatura, salinità, ossigeno disciolto e qualità dell’acqua. La stessa soluzione potrebbe servire per telecamere, apparecchiature scientifiche, sistemi destinati all’acquacoltura e alcuni robot autonomi.
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La durata di 5,5 anni arriva dai test accelerati
Lo studio dedica una parte importante anche alla stabilità delle celle. Durante 1.160 ore di funzionamento in condizioni che riproducevano la luce presente a 10 metri, i dispositivi hanno mostrato un degrado molto contenuto. Un’altra prova ha registrato circa il 96% dell’efficienza iniziale dopo 300 giorni di conservazione in atmosfera di azoto.
I ricercatori hanno utilizzato questi risultati insieme a test di invecchiamento accelerato per calcolare la cosiddetta durata T80, cioè il tempo previsto prima che le prestazioni scendano all’80% del valore iniziale. La stima ottenuta è di 48.094 ore a 25 °C, pari a circa 5,49 anni.
La verifica decisiva richiederà dunque esposizioni molto più lunghe in condizioni marine reali. Alghe, batteri e altri organismi possono progressivamente depositarsi sulla superficie del modulo e ridurre la quantità di luce disponibile. Il fenomeno è conosciuto come biofouling ed è uno dei problemi classici delle apparecchiature lasciate a lungo sott’acqua. A questo si aggiungono la salinità, le variazioni di temperatura, le infiltrazioni e le sollecitazioni meccaniche.
C’è anche una questione legata ai materiali. Le celle utilizzate nel lavoro sono basate su perovskiti contenenti piombo. L’incapsulamento dovrà quindi garantire nel tempo sia l’isolamento dall’acqua sia il contenimento dei materiali in caso di danneggiamento.
La prova decisiva sarà restare anni in mare
Il fotovoltaico subacqueo viene studiato da diversi anni. Celle con bandgap ampio sono considerate particolarmente adatte perché possono essere ottimizzate sulle lunghezze d’onda che penetrano meglio nell’acqua. Finora molte sperimentazioni erano rimaste confinate al laboratorio oppure a profondità di pochi metri. Il lavoro cinese porta insieme celle ottimizzate, moduli di superficie maggiore, un sistema robotico e una prova reale a 10 metri.
E da qui comincia la parte più difficile. Serviranno test in acque con caratteristiche differenti, comprese quelle più torbide, e soprattutto permanenze molto più lunghe in mare. Solo misurazioni prolungate potranno dire quanto incidono incrostazioni biologiche, corrosione e infiltrazioni sulla produzione elettrica.
Link e fonti utili
Studi e approfondimenti scientifici per verificare i dati sul fotovoltaico subacqueo.
Celle solari in perovskite progettate per lavorare sott’acqua
Lo studio descrive lo sviluppo delle celle a largo bandgap, i test di stabilità e la prova in mare a circa 10 metri di profondità, con una produzione misurata di 324 mWh in due ore.
Consulta lo studio su Joule →A dive into underwater solar cells
Una panoramica sulle tecnologie fotovoltaiche destinate all’ambiente subacqueo, sui materiali più adatti e sui principali problemi ancora aperti, tra cui biofouling, stabilità e protezione delle celle.
Leggi l’approfondimento su Nature Photonics →Note per i lettori
L’immagine usata per questo articolo è stata creata grazie all’utilizzo di un sistema di Intelligenza Artificiale
