Solarenergie: Forscher entwickeln Photovoltaik-Zellen für den Unterwassereinsatz

Solarzellen sind eine gute Möglichkeit, für diverse Projekte Energie zu gewinnen. Allerdings eignen sich Photovoltaik-Zellen bisher kaum für den Unterwassereinsatz, da die nutzbare Energie aus der Sonneneinstrahlung mit steigender Tiefe schnell nachlässt. Das könnte sich nun ändern: Forscher haben einen Weg gefunden, wissenschaftliche Geräte bis zu einer Tiefe von 50 Metern mit Solarenergie zu versorgen.

Wassertiefe stellt Solartechnik vor Herausforderungen

Solarenergie ist eine der wichtigsten Säulen der Versorgung mit erneuerbaren Energien. Aber unter Wasser stößt die Photovoltaik schnell an ihre Grenzen. Gängige Solarzellen aus Silizium haben eine Bandlücke von 1,1 bis maximal 1,8 Elektronenvolt – das heißt, sie absorbieren vor allem Licht im roten Bereich und Infrarotstrahlung. Diese Wellenbereiche werden aber unter Wasser mit zunehmender Tiefe mehr und mehr verschlickt.

Ein Team rund um Jason Röhr von der New York University hat sich nun mit der Frage auseinandergesetzt, ob Solarzellen unter Wasser überhaupt funktionieren können und welche Materialien sich am besten eignen würden. Dabei ermittelten die Forscher erst die Wellenbereiche des Lichts, die bis in 50 Meter Wassertiefe verschiedener Meeresgebiete vordringen.

Das Ergebnis dieser Untersuchung überraschte die Forscher nicht: Mit zunehmender Wassertiefe nimmt der Wellenbereich des vordringenden Lichts mehr und mehr ab. „ Licht zwischen 700 und 800 Nanometern Wellenlänge wird schon in geringen Tiefen von rund zwei Metern fast vollständig absorbiert – ungeachtet des Gewässertyps„, so die Forscher. In einer Tiefe von 50 Metern bleibt oft nur noch Licht zwischen 400 und 600 Nanometern, also dem grünen und gelben Bereich des sichtbaren Lichts.

Organische Solarzellen für den Einsatz unter Wasser

Im nächsten Schritt gingen die Forscher der Frage nach, welche Solarzellen-Materialien am besten geeignet sind, um dieses Licht einzufangen. In flachem Wasser wären laut den Forscher Materialien mit einer Bandlücke von etwa 1,8 Elektronenvolt am besten geeignet. Bei Wassertiefen bis zu 50 Meter jedoch sind Materialien mit Bandlücken von etwa 2,4 Elektronenvolt im Vorteil. Diese können dann noch eine Effizienz von etwa 65 Prozent erreichen.

Geeignet für den Einsatz in tieferem Wasser wären demnach unter anderem Photovoltaik-Zellen aus Legierungen wie Cadmium-Zink-Tellur, Aluminium-Gallium-Arsenid oder Indium-Gallium-Phosphor. Derartige Zellen sind aber recht aufwändig und teuer in der Herstellung. Organische Solarzellen könnten eine Alternative sein. Zellen aus Materialien wie Rubren, Pentacen oder Poly(p-Phenylen-Vinylen)-Abkömmlingen könnten hier gute Möglichkeiten sein.

Gängige Paneele sind bereits wasserdicht

Abgesehen von der Notwendigkeit des Wechsels der lichtabsorbierenden Materialien müssten die Designs der Zellen für den Eisatz unter Wasser auch kaum verändert werden. „ Gängige Solarpaneele, wie man sie auf dem Dach findet, sind ohnehin schon eingekapselt, um Schäden durch Umwelteinflüsse zu vermeiden. Studien zeigen, dass diese Solarzellen Monate unter Wasser bleiben können, ohne Schaden zu nehmen„, erklärt Röhr.

Die Forscher sind der Ansicht, dass ihre Erkenntnisse vielversprechende Ansätze zur Entwicklung von Solarzellen für den Unterwassereinsatz ermöglichen. Diese könnten etwa bei unterseeischen Sensoren und Messnetzen zum Eisatz kommen, die ihren Strom bisher entweder über eine Leitung beziehen oder aber mit Batterien versehen werden müssen.

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