水下发电！宽带隙太阳能电池

建设海洋强国是当今时代重要的国家战略。作为观察海洋现象和测量海洋要素的基本工具，海洋探测仪器在科学研究和军事活动中都有着重要价值，是建设海洋强国的技术基础之一。近年来水下观测设备大量涌现，种类也越来越多，如各种原位观测传感器、水下机器人、水下潜航器或无人船等，这些仪器面临的共同问题就是如何保障电力供应。

目前太阳能电池技术已经在海洋表面有了一定应用，电池板主要使用晶硅材料。比如美国国家海洋和大气管理局（NOAA）海洋勘探组织（相关介绍>>>）就曾公开了其研制的基于水下太阳能光伏发电供能的无人船，它携带了多种传感器设备，船体外表还镶嵌有大面积的硅材料太阳能光伏电池，它可以浮在水上接收太阳能能量，用于给其传感器设备供电，具有极强的机动性和灵活性。下图展示了其实物装置。

太阳能无人观测平台

但在水下环境中，太阳能发电的应用仍相当有限。目前水下机器人（ROV）能量来源通常依赖于电池、与岸基电网或支援船只的连接电缆线，这种依赖导致ROV设备很难长时间和大范围运行。

水下太阳能电池提供了一种在科学研究和军事应用中都具有吸引力的替代方法，它可以让ROV设备将“发电机”带在身上，从而大大增加ROV的活动灵活度和隐蔽性。

基于硅材料的传统太阳能电池远非水下发电的理想选择，它的窄带隙特性意味着发电需要吸收大量的红光和红外光。不幸的是即使在较浅的深度，水也非常擅长吸收这些波长，结果导致传统硅太阳能电池在水下发电效率极低。相比于红光，蓝光和黄光（400-600 nm）更不容易被水吸收，可以穿透更深的水体。

鉴于此，纽约大学的研究人员在《Joule》杂志上给出了新的答案，宽带隙半导体材料制造的太阳能电池在水下工作得更好。这一发现可能有助于开发和筛选更高效的太阳能电池材料，为水下机器人或其他无人潜水器、传感器提供更高效的动力。

这种宽带隙的水下太阳能电池，可能会成为水下应用的候选者。

海水的光学透过率

研究人员首先将从大西洋和太平洋最清澈的区域，一直到芬兰湖的多种水体数据进行了分析，计算了这些水体的光透过率，并和实验室内去离子超纯水光透过率进行了比较。

结果表明：全球不同水域对太阳光都有明显的选择性吸收。在700-800nm之间，水体的光谱衰减系数趋于一致，并且衰减强度明显大于400到600波段，这主要是水分子的强吸收所导致。水体在黄绿波段则相对衰减最小。但不同水域水体测量结果相差比较大，这与水体的浑浊度有很大关系。在清澈水体中，水分子的光谱吸收能力是主要贡献者。浑浊水体中，则叠加了浑浊物质的吸收衰减和光散射增强等影响。

下图展示了南太平洋海水从表面到水下50m范围，不同水深处太阳光强的测试结果，该处海域干净清澈，水体透明度很高。可以看出700-800nm的近红外波段衰减程度远大于400-650nm波段，当水深达到2m时，太阳光近红外波段的能量已经消失殆尽，但相对短波长的光在50m处仍有较大强度。考虑到传统的硅材料太阳能电池硅需要吸收大量的红光和红外光，显然不是最理想的水下太阳能发电材料。

不同水深位置处太阳光谱强度

太阳能电池水下发电效率评估

为评估太阳能电池在水下环境的发电效率上限，研究者采用一个详细的平衡模型进行了评估，模型参数细节可以参考文献[1]。评估过程只考虑材料的辐射复合过程，对于非辐射复合则予以忽略。模型结果表明，在海平面上，光伏材料最佳带隙在1.1-1.4v之间，对应的最大发电效率约为33%，该结果与经典的肖克利-奎伊瑟极限理论（名词解释>>>）结果相符，也正好是传统硅半导体太阳能电池的带隙（名词解释>>>）范围。而在水下环境中，能量带隙与水的深度有着密切关系。

如下图所示，随着水深的增加，最优的材料能量带隙在变宽，最大发电效率也跟着改变。在2m水深处，材料最佳带隙为1.8V，对应发电效率为55%，而到了10m水深，材料最佳带隙为2.1V，对应发电效率为62.5%，在50m水深处，材料最佳带隙为2.4V，对应发电效率为63%。并且这些数值在所研究的所有水域中保持一致，也就是说，水下太阳能电池设计可以只根据工作深度“量身定做”，而不必过多考虑水域位置的影响。

根据理论计算，在最理想的条件下，宽带隙水下太阳能电池光能量利用效率，理论上可以高达 65% 。

另外值得提及的是，这里的计算均假定温度为300K，而实际光伏材料的发电效率随着温度的降低而有所增加，肖克利-奎伊瑟极限理论计算表明，当温度从300K降低到272K时，硅基太阳能电池的效率可以提高3.4%-4.3%之间。鉴于水体散热性能远好于空气，并且在浅海区域，海洋温度随着水深的增加而降低，这一特性会给水下光伏发电带来了额外的好处。

由于随着水深的增加，太阳光绝对强度也在降低，所以水下太阳能布放深度范围也是有限的。研究者计算后发现，在清澈的海域里，在水深50m处的太阳辐照度仍能达到5mW/cm2。如果按理想的65%转化效率计算，1平方米的太阳能电池板可以输出32.5W的电力，这已经足够满足温度，盐度，压力和水听器等诸多传感器的用电需求了。

目前常见的宽带隙太阳能电池材料包括氧化锌、硒化锌和钙钛矿等。这些材料物理化学性质相对稳定，抗辐射性能也不错，随着制备技术的改进，其生产成本也越来越低。这些新材料的总体封装设计与传统硅太阳能电池相似，这降低了宽带隙材料在水下太阳能电池推广使用的门槛。

来源：两江科技评论