Un nuovo studio, pubblicato negli scorsi giorni dalla rivista Joule, sta dimostrando come sia possibile utilizzare pannelli solari a base di perovskite anche a 10 metri di profondità.
Ciò potrebbe aprire prospettive inedite per la generazione di energia in modo autonomo negli ambienti marini.
Dalla Yunnan University all’EPFL: la ricerca internazionale
La ricerca è stata condotta da un team guidato da Wen-Hua Zhang della Yunnan University di Kunming in collaborazione con l’Accademia Cinese delle Scienze e dell’EPFL svizzera.
I test sul campo sono stati eseguiti presso le isole Weizhou, nel Mar Cinese Meridionale, dove moduli di circa 115 centimetri quadrati sono stati trasportati da un robot sottomarino a 2, 6 e 10 metri di profondità.
Le celle, realizzate in perovskite a alogenuri di piombo, sono state progettate per assorbire la luce che penetra sotto la superficie.
Il silicio e il tellururo di cadmio, materiali dominanti nei pannelli terrestri, raccolgono luce fino all’infrarosso, ma l’acqua marina assorbe completamente le lunghezze d’onda oltre i 730 nanometri, risultando inadatti all’ambiente sommerso dove a 10 metri di profondità permane solo una stretta banda blu-arancione.
La perovskite, viceversa, può essere sintonizzata chimicamente per intercettare le lunghezze d’onda disponibili sott’acqua.
Per migliorare l’efficienza e la stabilità, i ricercatori hanno introdotto come additivo di cristallizzazione il polyhexamethylene guanidine hydrochloride, o PHMG, miscelato nell’inchiostro di perovskite prima della formazione del film.
Le unità ripetitive del polimero si legano agli atomi di piombo e allo iodio, riempiendo i vuoti cristallini, mentre la catena idrofoba rende il film repulsivo all’acqua.
Il PHMG converte inoltre la perovskite da carattere p-type verso n-type, migliorando l’estrazione degli elettroni, sopprimendo la migrazione degli ioni alogenuro e riducendo la densità dei difetti.
La resa dei pannelli S-PSCs ha sorpreso gli esperti
I dispositivi, battezzati submerged perovskite solar cells (S-PSCs), hanno raggiunto un’efficienza di conversione certificata del 16,79% sotto illuminazione M 1.5G (standard internazionale di riferimento per il collaudo delle celle solari terrestri) e del 34,71% sotto lo spettro simulato a 10 metri.
Per valutare realisticamente le prestazioni, il team ha costruito un simulatore solare subacqueo con filtri ottici su misura, tarati su 2, 5 e 10 metri.
In mare, l’energia raccolta è stata di 1.416 mWh a 2 metri, 752 mWh a 6 metri e 324 mWh a 10 metri, con ogni gradino di profondità che riduce la produzione di circa la metà.
I risultati del test
Le due ore hanno generato energia sufficiente a caricare batterie agli ioni di litio e ad alimentare un LED da 1 watt per circa 20 minuti.
Zhang ha ammesso che il team prevedeva soli 50-100 mWh a 10 metri, con il test che ha offerto dunque risultati anche di tre volte superiori alle più rosee aspettative.
A rivelarsi convincente, però, sono i dati riguardanti l’usura dei S-PSCs.
Dopo 1.160 ore in condizioni simulate, le celle sigillate non hanno mostrato alcun particolare degrado. In atmosfera di azoto, le celle trattate hanno mantenuto il 96% dell’efficienza dopo 300 giorni, contro l’85% delle celle non trattate dopo soli 200 giorni.
Il piombo rilasciato in acqua è rimasto sotto 1,15 parti per miliardo dopo oltre 200 giorni, e i pannelli sono rimasti integri a sei mesi di immersione senza incrinature.
Le proiezioni di invecchiamento accelerato, condotto tra 35 e 105 gradi Celsius, indicano una vita utile T80 di circa 48.094 ore, pari a circa 5,5 anni a 25 gradi.
S-PSCs: perché sono così importanti per i droni sottomarini?
Le implicazioni militari della tecnologia solare subacquea sono già oggetto di analisi da parte degli Stati maggiori.
Già nel 2021, il Defense Technical Information Center del Dipartimento della Difesa statunitense aveva pubblicato uno studio in cui le celle perovskite a film sottile venivano valutate come sistema di ricarica per gli UUV, i droni sottomarini senza pilota impiegati in missioni militari tra cui il rilevamento e lo smaltimento di mine sottomarine.
Il vantaggio della furtività
Il vantaggio determinante risiede nella furtività: i pannelli solari sono sistemi senza parti in movimento, non generano rumore acustico e, integrati nello scafo di un UUV, potrebbero ricaricare le batterie senza dover riemergere, mantenendo minima rilevabilità visiva e radar.
Il documento cita come precedente il Solar-powered Autonomous Underwater Vehicle (SAUV) di Falmouth Scientific, un piccolo veicolo autonomo già operativo con pannelli al silicio, ma costretto a riemergere per ricaricarsi: un limite che le perovskite potrebbero eliminare.
