Forschende aus China und der Schweiz haben Solarpaneele entwickelt und getestet, die in einer Wassertiefe von zehn Metern Strom erzeugen können. Die in der Fachzeitschrift Joule veröffentlichte Technologie nutzt modifizierte Perowskit-Materialien, um Licht im blau-grünen Wellenlängenbereich unter der Meeresoberfläche zu absorbieren.
Fotovoltaikanlagen sind längst nicht mehr auf Hausdächer beschränkt. Sie stehen an Straßenrändern, treiben auf alpinen Seen und decken Eisenbahngleise ab. Nun wagt sich die Solartechnologie in eine gänzlich neue Umgebung vor: in die Tiefen des Meeres.
Entwicklung von Unterwasser-Solarzellen durch China und die Schweiz
Ein Forschungsteam der Yunnan University arbeitete bei diesem Projekt eng mit Schweizer Wissenschaftlern der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) zusammen. Federführend auf Schweizer Seite war Michael Grätzel, der als einer der weltweit renommiertesten Forscher im Bereich der Fotovoltaik und der Photochimie gilt. Die Arbeiten der internationalen Forschergruppe wurden im vergangenen Monat in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Joule publiziert.
Die Erzeugung von Solarenergie unter Wasser stellt die Wissenschaft vor enorme Hürden. Mit jeden Metern Wassertiefe absorbiert das Medium mehr Sonnenstrahlung, während sich das Lichtspektrum drastisch verschiebt. Um diese Hürde zu nehmen, setzten die Forschende auf ein synthetisches Material, das die Kristallstruktur des natürlichen Minerals Perowskit nachahmt. Diese spezielle Zusammensetzung ermöglicht es, genau jene Lichtwellenlängen einzufangen, die bis in zehn Meter Tiefe vordringen.
Testergebnisse aus dem Südchinesischen Meer und Laborversuchen
Unter simulierten Laborbedingungen, die dem Licht in zehn Metern Wassertiefe nachempfunden waren, erzielten die Zellen einen Wirkungsgrad von knapp 35 Prozent beziehungsweise exakt 34,71 Prozent. Fachleute weisen darauf hin, dass dieser Wert nicht direkt mit konventionellen Solarpaneelen an der Oberfläche vergleichbar ist, da sich sowohl die Intensität als auch das Lichtspektrum grundlegend unterscheiden.
Über reine Laborsimulationen hinaus unternahmen die Wissenschaftler Praxistests. Im Südchinesischen Meer sowie nahe Weizhou Island vor der chinesischen Küste bewiesen die Module ihre Funktionsfähigkeit unter realen Bedingungen. Ein größeres Solarmodul, das für zwei Stunden in zehn Metern Tiefe beleuchtet wurde, generierte 324 Milliwattstunden an elektrischer Energie. Diese Energie reichte aus, um Lithium-Ionen-Batterien aufzuladen und Leuchtdioden (LED) zu betreiben.
„Diese Arbeit stellt die erste funktionelle Validierung von untergetauchten Solarzellen dar, die praktisch in einer Wassertiefe von bis zu etwa 10 Metern betrieben werden, wodurch ihr Anwendungsbereich erheblich erweitert wird.“
Hua Zhang, Professor für Materialwissenschaften an der Yunnan University
Energieautonomie für Roboter und Aquakulturanlagen
Die Technologie soll keineswegs dazu dienen, städtische Stromnetze über den Meeresboden zu speisen. Vielmehr zielt sie darauf ab, Unterwassergeräte unabhängig von herkömmlichen Stromquellen zu machen. Sensoren, Kameras, Unterwasserroboter, Kommunikationssysteme und Überwachungsanlagen für Aquakulturen sind bislang auf regelmäßige Batteriewechsel oder lange Kabelverbindungen zur Wasseroberfläche angewiesen. Die neuen Paneele könnten diesen Geräten eine dezentrale Energieversorgung bieten.
Auch bezüglich der Haltbarkeit zeigen Beschleunigungstests positive Aussichten. Die Forscher schätzen den sogenannten T80-Wert — jenen Zeitraum, in dem die Leistung auf 80 Prozent des Ausgangswertes absinkt — auf rund 48.000 Stunden. Dies entspricht etwa fünfeinhalb Jahren ununterbrochenem Betrieb unter den simulierten Bedingungen in zehn Metern Tiefe.
Einschränkungen und Ausblick der Photovoltaik-Forschung
Trotz dieser Erfolge stehen der kommerziellen Nutzung noch Hürden im Weg. Die gemessenen Höchstwerte von fast 35 Prozent Effizienz entstanden im Rahmen von Simulationen. Reale Umwelteinflüsse wie starker Wellengang, Wassertrübung, Biofouling und schwankende Sonneneinstrahlung erfordern weitere und strengere Untersuchungen außerhalb geschützter Labor- oder Testumgebungen.
Weder die beteiligten Institutionen noch die Autoren nannten bisher einen konkreten Zeitplan für eine kommerzielle Marktreife. Die Technik gilt in Fachkreisen als langfristiger Ansatz, um entlegene und bislang ungenutzte marine Standorte mit sauberer Energie zu versorgen.
