要約:
水中太陽光発電は、深刻な光の減衰と水の浸食の問題により、科学界によって長年、克服不可能な工学的禁止領域とみなされてきました。しかし、最新の科学研究の発展により、この伝統的な理解が覆されつつあります。多国籍科学研究チームは、新しいペロブスカイト太陽電池材料の設計をカスタマイズすることにより、水中環境で安定して動作し、高い光電変換効率を達成できる太陽電池の開発に成功し、海洋観測センサー、自律型水中ビークル（AUV）、および長期水中監視ネットワークのエネルギー自給自足への新たな道を切り開きました。
従来の知識では、水中太陽光発電の利用は 2 つの大きな自然の障壁に直面しています。 1つ目は分光特性の劇的な変化です。水は強力な吸収媒体として、赤外線と赤色光のスペクトルの大部分をすぐに吸収するため、水中に浸透する光は主に狭い青緑色の帯域に集中します。フルスペクトル太陽光用に設計された従来のシリコンベースの太陽電池は、水中では吸収スペクトルが著しく不一致となり、効率が急激に低下します。 2つ目は材料の安定性の問題です。ペロブスカイト材料は、効率が高いことで知られていますが、湿気によって容易に劣化します。長期間の作業のために水が豊富な海洋環境、さらには塩分濃度の高い海洋環境にそれらを置くことは、大きな物理的および化学的課題に直面します。
これらの問題を克服するために、科学研究チームは、水中青緑色光スペクトル用にペロブスカイト材料のエネルギーバンド構造と化学組成を再設計し、その光吸収ピークが水中フィルタリングされた青緑色スペクトルと高度に重なるようにバンドギャップを正確に調整し、深海を透過する光子の最大限の捕捉とエネルギー変換を達成しました。同時に、研究チームは、新しい疎水性ポリマーと多層緻密バリアフィルム技術を使用して、バッテリーのパッケージングと界面保護層に重要な革新をもたらしました。これにより、水分子と溶解した塩イオンがペロブスカイト光吸収層に浸透して腐食するのを完全に隔離するだけでなく、バッテリー表面での光の効率的な屈折と侵入が保証されます。
実験テストデータは、この新しいペロブスカイト水中バッテリーが、異なる水深の模擬青緑色光環境下で、従来のシリコンベースのバッテリーを大幅に上回る光電変換効率と耐減衰性能を実証していることを示しています。継続的に水に浸され、一定の水圧がかかる過酷な条件下でも、バッテリーは安定した出力を長期間維持でき、複雑な実際の水環境における工学的実現可能性が実証されています。
深海探査、海洋生態モニタリング、インテリジェントな海洋養殖に対する世界的な需要の急速な成長に伴い、水中電子機器の電源ボトルネックがますます顕著になってきています。従来の水中機器は通常、電源として頑丈なバッテリーパックに依存しており、頻繁な回収と交換、または母船からの有線補給が必要なため、運用とメンテナンスのコストが非常に高くなります。水中ペロブスカイト太陽光発電技術がさらに工業化され、ブイ、水中ロボット、固定海底センサーに導入できれば、水中機器は自然太陽光やさらには沖合の拡散光の助けを借りて、その場で長期間の自己電力供給を実現でき、海洋環境の長期かつ低コストの継続的検出における人間の能力の限界を大幅に拡大できることが期待されます。
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