الملخص:
لطالما اعتبر توليد الطاقة الشمسية تحت الماء مجالًا محظورًا هندسيًا لا يمكن التغلب عليه من قبل المجتمع العلمي بسبب التوهين الشديد للضوء ومشاكل التآكل المائي. ومع ذلك، فإن تطور البحث العلمي الأخير يقلب هذا الفهم التقليدي. من خلال تخصيص تصميم المواد الكهروضوئية الجديدة من البيروفسكايت، نجح فريق بحث علمي متعدد الجنسيات في تطوير خلية شمسية يمكنها العمل بثبات في بيئة تحت الماء وتحقيق كفاءة تحويل كهروضوئية عالية، مما يفتح طريقًا جديدًا لتحقيق الاكتفاء الذاتي من الطاقة لأجهزة استشعار مراقبة المحيطات، والمركبات المستقلة تحت الماء (AUV)، وشبكات المراقبة طويلة المدى تحت الماء.
في المعرفة التقليدية، يواجه استخدام الطاقة الكهروضوئية تحت الماء حاجزين طبيعيين رئيسيين. الأول هو التغيير الدراماتيكي في الخصائص الطيفية. الماء، باعتباره وسيلة امتصاص قوية، سوف يمتص بسرعة معظم طيف الضوء تحت الأحمر والأحمر، مما يتسبب في تركيز الضوء الذي يخترق تحت الماء بشكل أساسي في نطاق ضيق من اللون الأزرق والأخضر. تتمتع الخلايا الشمسية التقليدية القائمة على السيليكون والمصممة لأشعة الشمس كاملة الطيف بطيف امتصاص غير متطابق للغاية تحت الماء، وتتراجع كفاءتها بشكل حاد. والثاني هو مسألة الاستقرار المادي. مواد البيروفسكايت، المعروفة بكفاءتها العالية، تتحلل بسهولة بالرطوبة. إن وضعها في بيئات بحرية غنية بالمياه أو حتى عالية الملوحة للعمل على المدى الطويل يواجه تحديات فيزيائية وكيميائية ضخمة.
من أجل التغلب على هذه المشكلات، أعاد فريق البحث العلمي تصميم هيكل نطاق الطاقة والتركيب الكيميائي لمادة البيروفسكايت لطيف الضوء الأزرق والأخضر تحت الماء، وقاموا بتعديل فجوة النطاق بدقة بحيث تتداخل ذروة الامتصاص البصري بشكل كبير مع الطيف الأزرق والأخضر المصفى تحت الماء، وبالتالي تحقيق أقصى قدر من التقاط وتحويل الطاقة للفوتونات التي تخترق المياه العميقة. في الوقت نفسه، حقق فريق البحث ابتكارات رئيسية في تغليف البطاريات وطبقات حماية الواجهة، باستخدام بوليمرات جديدة كارهة للماء وتقنية غشاء عازل كثيف متعدد الطبقات، والتي لا تعزل جزيئات الماء وأيونات الملح الذائبة تمامًا عن اختراق وتآكل طبقة البيروفسكايت الممتصة للضوء فحسب، بل تضمن أيضًا الانكسار الفعال ودخول الضوء على سطح البطارية.
تظهر بيانات الاختبار التجريبي أن بطارية البيروفسكايت الجديدة تحت الماء تُظهر كفاءة التحويل الكهروضوئي وأداء مضاد للتوهين يتجاوز بشكل كبير البطاريات التقليدية القائمة على السيليكون في بيئات الضوء الأزرق والأخضر المحاكاة لأعماق المياه المختلفة. حتى في ظل الظروف القاسية للغمر المستمر في الماء وضغط ماء معين، لا يزال بإمكان البطارية الحفاظ على خرج طاقة ثابت لفترة طويلة، مما يؤكد جدواها الهندسية في بيئات المياه الحقيقية المعقدة.
مع النمو السريع للطلب العالمي على استكشاف أعماق البحار، ومراقبة البيئة البحرية، وتربية الأحياء المائية الذكية في الخارج، أصبح عنق الزجاجة في إمدادات الطاقة للمعدات الإلكترونية تحت الماء بارزًا بشكل متزايد. تعتمد المعدات التقليدية تحت الماء عادة على مجموعات البطاريات الثقيلة لإمدادات الطاقة، والتي تتطلب الإنقاذ والاستبدال المتكرر أو تجديد الأسلاك من السفن الأم، مما يجعل تكاليف التشغيل والصيانة مرتفعة للغاية. إذا كان من الممكن زيادة تصنيع تكنولوجيا البيروفسكايت الكهروضوئية تحت الماء ونشرها على العوامات والروبوتات تحت الماء وأجهزة الاستشعار الثابتة في قاع البحر، فمن المتوقع أن تتمكن المعدات تحت الماء من تحقيق إمداد ذاتي بالطاقة على المدى الطويل في الموقع بمساعدة ضوء الشمس الطبيعي أو حتى الضوء المنتشر بعيدًا عن الشاطئ، مما يوسع بشكل كبير حدود القدرات البشرية للكشف المستمر على المدى الطويل ومنخفض التكلفة للبيئة البحرية.
التعليقات