Unterwasser-Solarzellen laden Batterien in 10 Metern Tiefe

Unter dem Meer ist es deutlich weniger hell.

Ein grosser Teil der Sonnenstrahlen wird bereits an der Wasseroberfläche reflektiert. Jene Strahlen, die ins Wasser eindringen, werden zudem über wesentlich kürzere Distanzen absorbiert und gestreut als in der Luft.

Daher nimmt die Dunkelheit mit zunehmender Tiefe rasch zu.

Umso ungewöhnlicher wirkt es, ausgerechnet in 10 Metern Tiefe Solarmodule einzusetzen.

Genau das hat jedoch ein Forschungsteam der Yunnan University in China getan.

Unterwasser-Solarzellen im Südchinesischen Meer

Die Unterwasser-Solarzellen wurden 10 Meter unter der Oberfläche des Südchinesischen Meers angebracht. Dort gewannen sie innerhalb von nur zwei Stunden genügend Energie, um Lithium-Ionen-Batterien aufzuladen.

„Über Unterwasser-Solarzellen wurden bislang nur sehr wenige Studien veröffentlicht, und alle konzentrieren sich auf sehr geringe Wassertiefen von höchstens zwei Metern – ein Szenario, das die Anforderungen praktischer Anwendungen bei weitem nicht erfüllt“, sagt Wen-Hua Zhang von der Yunnan University.

„Diese Arbeit liefert die erste funktionale Bestätigung, dass versenkte Solarzellen in einer Wassertiefe von bis zu etwa 10 Metern praktisch betrieben werden können, und erweitert ihren möglichen Einsatzbereich erheblich.“

Nach Einschätzung des Teams könnten die Solarzellen etwa fünfeinhalb Jahre lang funktionieren. Schon bald könnten sie eine praktikable Energiequelle für Unterwassersensoren, Kameras und Kommunikationssysteme sein.

„Netzunabhängige Geräte werden in unterschiedlichen Wassertiefen eingesetzt, um verschiedenste Unterwasserarbeiten und wissenschaftliche Erkundungen zu unterstützen“, halten die Autoren fest.

„Unterwasser-Photovoltaik kann in Verbindung mit anderen Formen der Energieerzeugung Geräte wie ortsfeste Unterwassersensoren und Detektoren mit Strom versorgen.“

Perowskit-Photovoltaik für blaugrünes Licht

Damit die Zellen das begrenzte Lichtangebot im Wasser möglichst effizient nutzen, unterscheiden sie sich von den Photovoltaikzellen, die 2025 rund 9 Prozent der weltweiten Stromerzeugung ausmachten.

Sie bestehen aus Bleihalogenid-Perowskit, einem Halbleiterkristall. Bei der Herstellung des Perowskits mischten die Forschenden ein Polymer namens Polyhexamethylenguanidinhydrochlorid bei, das dazu beiträgt, zusätzliche Elektronen in der Zelle einzufangen.

Das entstandene Material verfügt über eine breite Bandlücke. Diese Eigenschaft ist entscheidend, denn die Bandlücke einer Photovoltaikzelle bestimmt, welche Wellenlängen des Sonnenlichtspektrums ein Material aufnehmen kann.

Die Unterwasserzellen wurden gezielt darauf ausgelegt, jenes Lichtspektrum einzufangen, das 5 bis 10 Meter Meerwasser durchdringt: vorwiegend kürzere blaugrüne Wellenlängen von 400 bis 600 nm, da die meisten roten Lichtanteile bereits in geringeren Tiefen verloren gehen.

Zunächst optimierte das Team seine Konstruktionen unter simulierten Meeresbedingungen im Labor und erreichte dabei eine Leistungsumwandlungseffizienz von fast 35 Prozent. Anschliessend folgte der Praxistest im offenen Meer.

„Wir haben die Skalierung von Laborzellen mit kleiner Fläche auf grossformatige Module erreicht“, sagt Zhang.

„Die Kombination aus Laboruntersuchungen und Feldversuchen liefert deutliche Belege für den Betrieb von Unterwasser-Photovoltaik.“

Test der Solarzellen in 2, 6 und 10 Metern Tiefe

Ferngesteuerte Roboter brachten die 115 cm² grossen Solarzellen vor der Küste der Insel Weizhou im Südchinesischen Meer auf Tiefen von zwei Metern, sechs Metern und zehn Metern.

In zwei Metern Tiefe erzeugten die Zellen 1.416 Milliwattstunden (mWh) Strom, in sechs Metern Tiefe 752 mWh und in zehn Metern Tiefe 324 mWh.

Jede Lithium-Ionen-Batterie erhielt genügend Energie, um ein LED-Schild zum Leuchten zu bringen.

Wenn dies möglich ist, könnten die Zellen eines Tages vielleicht einen Livestream aus einem Korallenriff, Kommunikationssysteme, Stationen zur akustischen Überwachung oder einen menschlichen Unterwasserlebensraum versorgen – alles gut verborgen unter den Wellen.

„Diese Arbeit ebnet den Weg für den praktischen Einsatz von Perowskit-Photovoltaik in Unterwasserumgebungen und bietet einen vielversprechenden Ansatz für autarke marine Energiesysteme und autonome Unterwassergeräte“, schliessen die Autoren.

Die Studie wurde in Joule veröffentlicht.