Unterwasser-Photovoltaik Perowskit-Solarzellen erzeugen Strom in zehn Metern Meerestiefe

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Eine spektral angepasste Perowskit-Solarzelle konnte im Südchinesischen Meer noch in zehn Metern Tiefe einen Lithium-Ionen-Akku laden. Der angegebene Wirkungsgrad von 34,71 Prozent klingt außergewöhnlich, ist mit terrestrischen Solarzellen aber nur eingeschränkt vergleichbar.

Unter Wasser betriebene Sensoren, Kameras und Kommunikationssysteme benötigen bislang meist Batterien oder eine kabelgebundene Energieversorgung. Beides begrenzt die Einsatzdauer oder erhöht den Installations- und Wartungsaufwand. Ein Forschungsteam um die Yunnan University hat deshalb Perowskit-Solarzellen entwickelt, deren Absorptionsbereich an das in mehreren Metern Wassertiefe verfügbare Lichtspektrum angepasst ist.

Die Solarzellen erzeugten bei einem Praxistest im Südchinesischen Meer selbst in zehn Metern Tiefe noch genügend Energie, um einen Lithium-Ionen-Akku zu laden. Die Ergebnisse zeigen allerdings auch, dass Unterwasser-Photovoltaik vorerst vor allem für Systeme mit geringem Leistungsbedarf infrage kommt.

Wasser verändert Intensität und Spektrum

Mit zunehmender Tiefe nimmt nicht nur die Intensität des Sonnenlichts ab. Auch dessen spektrale Zusammensetzung verändert sich: Wasser absorbiert insbesondere langwelliges rotes und infrarotes Licht. In fünf bis zehn Metern Tiefe verbleibt daher überwiegend Strahlung im blau-grünen Spektralbereich zwischen etwa 400 und 600 nm.

Konventionelle Siliziumsolarzellen sind für dieses eingeschränkte Spektrum nicht optimal ausgelegt. Ihre Bandlücke beträgt rund 1,1 eV, wodurch sie auch langwellige Strahlung nutzen können, die in größerer Wassertiefe kaum noch vorhanden ist. Die Forschenden setzten stattdessen eine Bleihalogenid-Perowskitverbindung mit einer Bandlücke von etwa 1,96 eV ein. Deren Absorptionsbereich passt besser zu dem kurzwelligen Licht, das zehn Meter tief in das Wasser eindringt.

Die Zellen besitzen einen invertierten p-i-n-Aufbau. Als Additiv verwendete das Team Polyhexamethylenguanidinhydrochlorid, kurz PHMG. Das Polymer beeinflusst die Kristallisation und die energetische Ausrichtung des Perowskits. Nach Angaben der Forschenden verringert es außerdem die Defektdichte, unterdrückt die Wanderung von Halogenidionen und verbessert damit die Stabilität der Zelle.

34,71 Prozent benötigen den richtigen Bezugsrahmen

Unter dem für terrestrische Solarzellen üblichen AM-1.5G-Spektrum erreichte die Zelle einen Wirkungsgrad von 17,08 Prozent. Unabhängig zertifiziert wurden 16,79 Prozent. Unter einem im Labor simulierten Lichtspektrum für zehn Meter Wassertiefe ermittelten die Forschenden dagegen 34,71 Prozent.

Dieser Wert bedeutet nicht, dass die Unterwasserzelle absolut mehr elektrische Leistung erzeugt als ein gutes Solarmodul an Land. Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen der einfallenden optischen Leistung und der abgegebenen elektrischen Leistung. In zehn Metern Tiefe ist die verfügbare Einstrahlung bereits stark reduziert und auf einen begrenzten Wellenlängenbereich konzentriert. Die Perowskitzelle kann diesen verbliebenen Anteil vergleichsweise effizient umwandeln, erhält insgesamt aber erheblich weniger Energie.

Ein direkter Vergleich der 34,71 Prozent mit den Wirkungsgraden kommerzieller Silizium- oder Tandemzellen unter AM-1.5G-Bedingungen wäre daher irreführend. Aussagekräftiger ist der tatsächlich gemessene Energieertrag des Unterwassermoduls.

Praxistest im Südchinesischen Meer

Für die Versuche fertigte das Forschungsteam Module mit einer aktiven Fläche von 115 cm². Diese wurden vor der Insel Weizhou im Südchinesischen Meer für jeweils zwei Stunden in unterschiedlichen Tiefen betrieben.

In zwei Metern Tiefe erzeugte das Modul dabei 1.416 mWh. Bei sechs Metern waren es noch 752 mWh, bei zehn Metern 324 mWh. Die Energie wurde in Lithium-Ionen-Akkus gespeichert und anschließend unter anderem zum Betrieb von Leuchtdioden verwendet.

Das Experiment belegt damit eine Stromerzeugung unter realen Umgebungsbedingungen. Die absoluten Energiemengen bleiben jedoch klein: Die in zehn Metern Tiefe erzeugten 324 mWh entsprechen bei zwei Stunden Versuchsdauer einer mittleren Leistung von rund 162 mW. Für größere Verbraucher ist das nicht ausreichend. Für energiearme Sensoren, Kameras mit intermittierendem Betrieb oder Kommunikationsknoten mit langen Ruhephasen kann eine solche lokale Energiequelle dagegen relevant sein.

Lebensdauer bislang nur hochgerechnet

Unter simulierten Unterwasserbedingungen zeigten die Zellen nach 1.160 Stunden Betrieb am maximalen Leistungspunkt keine signifikante Degradation. Aus beschleunigten Alterungstests leiteten die Forschenden bei 25 °C eine T₈₀-Lebensdauer von 48.094 Stunden beziehungsweise rund 5,49 Jahren ab. T₈₀ bezeichnet den Zeitpunkt, zu dem die Leistung auf 80 Prozent des Ausgangswertes gefallen ist.

Dabei handelt es sich um eine Modellprognose und nicht um eine über mehr als fünf Jahre nachgewiesene Betriebsdauer im Meer. Reale Systeme wären zusätzlich wechselnden Temperaturen, Wasserdruck, Salz, Strömung, mechanischer Belastung und biologischem Bewuchs ausgesetzt. Auch die Langzeitbeständigkeit der Verkapselung ist entscheidend: Sie muss sowohl das feuchtigkeitsempfindliche Perowskit schützen als auch verhindern, dass bleihaltige Bestandteile in die Umwelt gelangen.

Ergänzung statt Ersatz für Batterien

Der technisch passende Einsatzbereich liegt nicht in großflächigen Solarkraftwerken unter Wasser. Durch die starke Lichtabsorption wäre eine Installation unterhalb der Wasseroberfläche für die allgemeine Stromerzeugung energetisch wenig sinnvoll.

Unterwasser-Photovoltaik könnte somit Batterien in autonomen Messstationen nachladen und deren Wartungsintervalle verlängern. Ob die Technik gegenüber größeren Primärbatterien, kabelgebundenen Lösungen oder anderen Verfahren zur Energiegewinnung wirtschaftlich konkurrenzfähig ist, lässt sich aus der Studie noch nicht ableiten. Angaben zu Modulwirkungsgrad, Fertigungskosten, Verkapselungsaufwand und Langzeitbetrieb unter wechselnden Meeresbedingungen fehlen dafür.

Die Arbeit demonstriert einen entscheidenden Schritt: Spektral angepasste Perowskitmodule können nicht nur unter künstlich erzeugtem Unterwasserlicht arbeiten, sondern auch in zehn Metern Meerestiefe eine nutzbare Energiemenge bereitstellen. Für eine praktische Anwendung müssen nun vor allem Langzeitstabilität, Umweltsicherheit und Systemkosten unter realen Bedingungen nachgewiesen werden. (mr)

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