全球首个“水下太阳能电站” 10公尺深海也能发电

中国科学家取得突破，成功打造并测试全球首座“水下太阳能电站”，在海上10公尺深处运行钙钛矿光伏系统（perovskite-based photovoltaic system），证明即使在海水中昏暗的蓝绿色光线环境下，也能有效收集太阳能。

这套水下太阳能阵列成功为电池充电，并驱动LED面板，显示太阳能有望应用于未来的水下设备。这项由云南大学团队完成的研究，于9月11日刊登在学术期刊《Joule》。

这项成果突破长期存在的技术障碍。阳光进入水下后会迅速减弱，而传统矽太阳能电池并不适合利用水下仅存的狭窄光谱。

在水面下10公尺处，只有约10%的阳光能够穿透，而矽太阳能电池最擅长利用的红光几乎已被海水完全吸收。

钙钛矿成关键解决水下发电难题

研究团队因此选用铅卤钙钛矿太阳能电池，其能隙约为1.96电子伏特，能与水下的蓝绿光谱相匹配。钙钛矿材料可以调整特性，在低光环境下具有更好的表现。不过，在海水中使用时，钙钛矿可能面临腐蚀、压力、封装及铅泄漏等问题。

为提高稳定性，团队加入聚六亚甲基胍盐酸盐（PHMG）作为结晶添加剂，让太阳能电池在海水环境中维持更好的性能。

云南大学研究人员张文华在Cell Press报告中表示，过去的水下太阳能电池研究主要集中在2公尺或更浅的水域，距离实际应用仍有差距。这项研究则首次验证水下太阳能电池能在约10公尺深处实际运作。

在模拟10公尺深度水下光照的实验中，一枚面积仅0.0895平方公分的小型电池，光电转换效率（PCE）达34.71%；面积28.79平方公分的大型模组，效率也达29.4%，显示即使在微弱光线下，系统仍能有效发电。

研究团队特别强化了设备的耐久性，为钙钛矿太阳能电池加入多层封装结构，利用丁基橡胶与覆盖玻璃提供防水、耐压及抗腐蚀保护，最外层再覆盖透明环氧树脂保护层。

在模拟海水环境下，经过1000小时持续浸泡并接受10公尺深度的模拟光照后，完成封装的设备仍能维持初始光电转换效率的99.58%。

进一步计算显示，在摄氏25度、模拟10公尺水下光照环境中，电池的T80寿命达4万8094小时，意味着经过约5年半后，仍可维持至少80%的发电输出。

团队也在南海涠洲岛附近进行实地水下测试，将钙钛矿太阳能电池与水下机器人整合，由机器人搭载太阳能模组，分别在2公尺、6公尺及10公尺深度为锂离子电池充电。

在持续两小时的光照下，系统在2公尺深处充入1416毫瓦时电量，6公尺处为752毫瓦时，10公尺处则为324毫瓦时，并成功点亮LED面板。

张文华表示，研究团队除了完成实验室中的小面积电池测试，也进一步将技术扩展至大型模组，结合实验室研究与海上实地测试，为水下光伏系统的实际运作提供有力证据。

这项研究也为钙钛矿材料及水下能源应用开拓新的可能性。过去钙钛矿通常被认为不适合潮湿环境，但此次成果显示，经过稳定化与封装后，其有望应用于日益增加的人类水下活动。

未来，这项技术可望应用于水下感测器、探测器、摄影机、通讯设备、水下机器人及潜水器，作为长期运作的能源节点。

研究团队指出，这项成果为钙钛矿光伏技术进入水下环境的实际应用铺路，也为打造可自主供能的海洋能源系统及水下设备，提供了一条新的技术路径。