Resumo:
A geração de energia solar subaquática tem sido considerada há muito tempo como uma área proibida de engenharia intransponível pela comunidade científica devido à severa atenuação da luz e problemas de erosão hídrica. No entanto, um desenvolvimento de investigação científica mais recente está a derrubar este entendimento tradicional. Ao personalizar o design de novos materiais fotovoltaicos de perovskita, uma equipe multinacional de pesquisa científica desenvolveu com sucesso uma célula solar que pode operar de forma estável em um ambiente subaquático e alcançar alta eficiência de conversão fotoelétrica, abrindo um novo caminho para a autossuficiência energética para sensores de observação oceânica, veículos subaquáticos autônomos (AUV) e redes de monitoramento subaquático de longo prazo.
No conhecimento tradicional, a utilização fotovoltaica subaquática enfrenta duas grandes barreiras naturais. A primeira é a mudança dramática nas características espectrais. A água, como um meio absorvente forte, absorverá rapidamente a maior parte do espectro da luz infravermelha e vermelha, fazendo com que a luz que penetra debaixo d'água se concentre principalmente em uma estreita faixa azul esverdeada. As células solares tradicionais à base de silício projetadas para luz solar de espectro total têm um espectro de absorção extremamente incompatível sob a água e sua eficiência diminui drasticamente. A segunda é a questão da estabilidade do material. Os materiais perovskita, conhecidos por sua alta eficiência, são facilmente degradados pela umidade. Colocá-los em ambientes marinhos ricos em água ou mesmo com alta salinidade para trabalhos de longo prazo enfrenta enormes desafios físicos e químicos.
Para superar esses problemas, a equipe de pesquisa científica redesenhou a estrutura da banda de energia e a composição química do material perovskita para o espectro de luz azul esverdeado subaquático e ajustou com precisão o intervalo de banda para que seu pico de absorção óptica se sobreponha altamente ao espectro azul esverdeado filtrado subaquático, alcançando assim a máxima captura e conversão de energia de fótons que penetram em águas profundas. Ao mesmo tempo, a equipe de pesquisa fez inovações importantes nas embalagens da bateria e nas camadas de proteção de interface, usando novos polímeros hidrofóbicos e tecnologia de filme de barreira densa multicamadas, que não apenas isola completamente as moléculas de água e íons de sal dissolvidos da penetração e corrosão da camada absorvente de luz da perovskita, mas também garante refração eficiente e entrada de luz na superfície da bateria.
Dados de testes experimentais mostram que esta nova bateria subaquática de perovskita demonstra eficiência de conversão fotoelétrica e desempenho antiatenuação que excede significativamente as baterias tradicionais à base de silício sob ambientes simulados de luz azul esverdeada de diferentes profundidades de água. Mesmo sob condições adversas de imersão contínua em água e uma certa pressão de água, a bateria ainda pode manter uma potência estável por um longo tempo, verificando sua viabilidade de engenharia em ambientes aquáticos reais complexos.
Com o rápido crescimento da demanda global por exploração em águas profundas, monitoramento ecológico marinho e aquicultura offshore inteligente, o gargalo no fornecimento de energia de equipamentos eletrônicos subaquáticos tornou-se cada vez mais proeminente. Os equipamentos subaquáticos tradicionais geralmente dependem de baterias resistentes para fornecimento de energia, que exigem salvamento e substituição frequentes ou reabastecimento com fio dos navios-mãe, tornando os custos de operação e manutenção extremamente elevados. Se a tecnologia fotovoltaica de perovskita subaquática puder ser ainda mais industrializada e implantada em bóias, robôs subaquáticos e sensores fixos do fundo do mar, espera-se que o equipamento subaquático possa alcançar auto-alimentação in-situ a longo prazo com a ajuda da luz solar natural ou mesmo da luz difusa offshore, expandindo enormemente os limites das capacidades humanas para a detecção contínua a longo prazo e de baixo custo do ambiente marinho.
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