Potrebbero esserci molti materiali organici e inorganici trascurati che potrebbero essere utilizzati per sfruttare la luce solare sott'acqua e alimentare in modo efficiente veicoli sommergibili autonomi, riferiscono i ricercatori della New York University. La loro ricerca, pubblicazione del 18 marzo sulla rivista Joule , sviluppa linee guida per valori di intervallo di banda ottimali a una gamma di profondità dell'acqua, dimostrando che vari semiconduttori con gap a banda larga, piuttosto che i semiconduttori a banda stretta utilizzati nelle tradizionali celle solari al silicio, sono meglio attrezzati per l'uso subacqueo.

"Finora, la tendenza generale è stata quella di utilizzare le tradizionali celle al silicio, che mostriamo sono tutt'altro che ideali una volta che si va a una profondità significativa poiché il silicio assorbe una grande quantità di luce rossa e infrarossa, che è anche assorbito dall'acqua, specialmente a grandi profondità, "dice Jason A. Röhr, un ricercatore associato post-dottorato nel laboratorio Transformative Materials and Devices del Prof. André D. Taylor presso la Tandon School of Engineering della New York University e un autore dello studio. "Con le nostre linee guida, materiali più ottimali possono essere sviluppati."

Veicoli subacquei, come quelli usati per esplorare l'oceano abissale, sono attualmente limitati dall'energia a terra o da batterie di bordo inefficienti, prevenire viaggi su lunghe distanze e periodi di tempo. Ma mentre la tecnologia delle celle solari che è già decollata sulla terraferma e nello spazio potrebbe dare a questi sommergibili più libertà di vagare, il mondo acquatico presenta sfide uniche. L'acqua disperde e assorbe gran parte dello spettro della luce visibile, assorbendo le lunghezze d'onda solari rosse anche a basse profondità prima che le celle solari a base di silicio abbiano la possibilità di catturarle.

La maggior parte dei tentativi precedenti di sviluppare celle solari subacquee sono stati costruiti con silicio o silicio amorfo, ciascuno dei quali ha una banda passante stretta più adatta per assorbire la luce sulla terraferma. Però, la luce blu e gialla riesce a penetrare in profondità nella colonna d'acqua anche se le altre lunghezze d'onda diminuiscono, suggerendo che i semiconduttori con gap di banda più ampi non presenti nelle celle solari tradizionali potrebbero fornire una soluzione migliore per la fornitura di energia sott'acqua.

Per comprendere meglio il potenziale delle celle solari subacquee, Röhr e colleghi hanno valutato corpi idrici che vanno dalle regioni più limpide degli oceani Atlantico e Pacifico a un torbido lago finlandese, utilizzando un modello di bilancio dettagliato per misurare i limiti di efficienza per le celle solari in ogni luogo. È stato dimostrato che le celle solari raccolgono energia dal sole fino a una profondità di 50 metri nei corpi d'acqua più limpidi della Terra, con acque fredde aumentando ulteriormente l'efficienza delle cellule.

I calcoli dei ricercatori hanno rivelato che gli assorbitori di celle solari funzionerebbero al meglio con una banda proibita ottimale di circa 1,8 elettronvolt a una profondità di due metri e circa 2,4 elettronvolt a una profondità di 50 metri. Questi valori sono rimasti coerenti in tutte le fonti d'acqua studiate, suggerendo che le celle solari potrebbero essere adattate a profondità operative specifiche piuttosto che a luoghi d'acqua.

Röhr osserva che le celle solari prodotte a basso costo realizzate con materiali organici, che sono noti per funzionare bene in condizioni di scarsa illuminazione, così come le leghe realizzate con elementi dei gruppi tre e cinque della tavola periodica potrebbero essere ideali in acque profonde. E mentre la sostanza dei semiconduttori sarebbe diversa dalle celle solari utilizzate a terra, il design complessivo rimarrebbe relativamente simile.

"Mentre i materiali per la raccolta del sole dovrebbero cambiare, il design generale non dovrebbe necessariamente cambiare così tanto, " dice Röhr. "Pannelli solari tradizionali al silicio, come quelli che puoi trovare sul tuo tetto, sono incapsulati per impedire danni dall'ambiente. Gli studi hanno dimostrato che questi pannelli possono essere immersi e azionati in acqua per mesi senza subire danni significativi ai pannelli. Metodi di incapsulamento simili potrebbero essere impiegati per nuovi pannelli solari realizzati con materiali ottimali." Ora che hanno scoperto ciò che rende efficaci le celle solari subacquee, i ricercatori hanno in programma di iniziare a sviluppare materiali ottimali.

"È qui che inizia il divertimento!" dice Rohr. "Abbiamo già studiato celle solari organiche non incapsulate che sono altamente stabili in acqua, ma dobbiamo ancora dimostrare che queste celle possono essere rese più efficienti delle celle tradizionali. Considerato quanto siano capaci i nostri colleghi in tutto il mondo, siamo sicuri che vedremo queste nuove ed entusiasmanti celle solari sul mercato nel prossimo futuro."