Células solares submarinas generan electricidad a 10 metros
Un equipo de científicos ha demostrado que las células solares submarinas pueden generar electricidad a 10 metros de profundidad. Las pruebas se realizaron en el mar de China Meridional y muestran una posible vía para alimentar equipos que operan lejos de tierra firme.
El estudio fue publicado en la revista científica Joule y contó con la participación de investigadores de China y Suiza. El trabajo se centró en células solares de perovskita preparadas para aprovechar el espectro de luz disponible bajo el agua.
Hasta ahora, buena parte de los estudios experimentales sobre este tipo de energía fotovoltaica submarina se había concentrado en profundidades de dos metros o menos. El nuevo trabajo llevó la prueba hasta los 10 metros y posteriormente comprobó el funcionamiento del sistema en condiciones reales.
Células solares submarinas llegan a 10 metros de profundidad
Los investigadores tuvieron que afrontar uno de los principales problemas para producir electricidad mediante paneles solares bajo el agua: la pérdida de radiación solar conforme aumenta la profundidad.
El agua absorbe determinadas partes del espectro de la luz, como consecuencia, la radiación disponible a varios metros bajo la superficie es diferente de la que recibe una célula solar instalada en tierra.
Para afrontar esta limitación, el equipo empleó perovskitas de haluro de plomo con una banda prohibida de alrededor de 1,96 eV. Su capacidad de absorción fue adaptada al espectro que permanece disponible entre los 5 y 10 metros de profundidad, dominado principalmente por longitudes de onda de entre 400 y 600 nanómetros.
Así, las células fotovoltaicas pudieron aprovechar mejor la luz que consigue penetrar hasta esas zonas.
Las células de perovskita aprovechan la luz disponible bajo el agua
Por otra parte, los investigadores desarrollaron un sistema de laboratorio con filtros ópticos específicos. El objetivo era reproducir las condiciones de iluminación que encontrarían las células a diferentes profundidades.
Las pruebas mostraron una eficiencia de conversión del 34,71 % bajo un espectro simulado correspondiente a 10 metros de profundidad. Bajo condiciones estándar de iluminación solar AM 1.5G, las células alcanzaron una eficiencia máxima del 17,08 %.
Esta diferencia no significa que las células produzcan más energía en el fondo del mar que bajo la luz solar convencional. La eficiencia se calcula respecto a la energía luminosa que realmente llega al dispositivo. A 10 metros existe menos radiación disponible y su composición espectral también cambia.
El diseño busca precisamente sacar mayor partido de esa luz limitada mediante un material adaptado a las condiciones submarinas.
Células solares resisten más de 1.000 horas en pruebas
Además, la estabilidad fue otro de los aspectos estudiados antes de trasladar las células al mar.
Después de permanecer almacenados durante 300 días a temperatura ambiente en una cámara con nitrógeno, los dispositivos conservaron alrededor del 96 % de su eficiencia inicial.
Posteriormente, las células fueron sometidas a 1.160 horas de funcionamiento continuo bajo condiciones que simulaban la iluminación existente a 10 metros. Los investigadores no observaron una degradación significativa durante ese periodo.
Las pruebas aceleradas permitieron estimar una vida T80 de 48.094 horas a 25 °C bajo las condiciones simuladas. Esto equivale a unos 5,49 años hasta que el rendimiento descendiera al 80 % del nivel inicial.
Sin embargo, esa cifra procede de una estimación basada en ensayos acelerados. Por tanto, todavía será necesario comprobar el comportamiento de las células durante periodos prolongados en condiciones marinas reales.
El experimento pasa del laboratorio al mar de China Meridional
Después de los ensayos controlados, el equipo llevó la tecnología al entorno para el que había sido diseñada.
Los científicos fabricaron módulos de perovskita de mayor superficie y los integraron en robots submarinos. Posteriormente, realizaron pruebas frente a las islas Weizhou, en el mar de China Meridional.
Los módulos fueron probados a profundidades de 2, 6 y 10 metros. A la mayor profundidad, una superficie activa de 115 centímetros cuadrados produjo 324 mWh de electricidad durante dos horas de exposición a la luz solar submarina.
La energía obtenida permitió cargar baterías de iones de litio y posteriormente alimentar luces LED. De esta forma, el experimento mostró que las células solares submarinas podían pasar de pequeñas unidades de laboratorio a módulos capaces de realizar una tarea práctica en el mar.
A menor profundidad, la producción fue superior. Los módulos cargaron las baterías con 1.416 mWh a 2 metros y 752 mWh a 6 metros durante las pruebas descritas por los investigadores.
Sensores y cámaras podrían utilizar energía fotovoltaica submarina
A partir de estos resultados, una de las principales implicaciones se encuentra en la alimentación de dispositivos autónomos instalados bajo el agua.
Sensores utilizados para vigilar las condiciones del océano, cámaras submarinas y equipos de comunicación necesitan electricidad para funcionar. En zonas alejadas de tierra, proporcionarles energía durante largos periodos puede exigir baterías o sistemas externos de alimentación.
La energía fotovoltaica submarina plantea otra posibilidad: producir parte de esa electricidad directamente en el lugar donde funcionan los dispositivos.
La monitorización de instalaciones de acuicultura aparece entre las posibles aplicaciones. También podrían beneficiarse sistemas autónomos de observación y comunicación marina.
En este escenario, los paneles solares destinados a entornos submarinos tendrían requisitos distintos de los sistemas fotovoltaicos terrestres. La cantidad de luz disponible, las longitudes de onda que atraviesan el agua y la profundidad de funcionamiento condicionan el diseño de las células.
Probarán células solares submarinas a mayor profundidad
Finalmente, el experimento a 10 metros abre una nueva pregunta: hasta dónde puede llegar este sistema.
El equipo dirigido por Wen-Hua Zhang pretende realizar pruebas a mayores profundidades para determinar el límite operativo de las células solares de perovskita. También busca desarrollar protocolos estandarizados que permitan evaluar y comparar futuros sistemas fotovoltaicos destinados a funcionar bajo el agua.
La profundidad será uno de los principales obstáculos, conforme aumenta, la cantidad de radiación solar disponible disminuye y cambia el espectro que puede aprovechar una célula fotovoltaica.
Por ahora, la investigación demuestra que las células solares submarinas pueden producir electricidad en condiciones reales a 10 metros bajo la superficie. El siguiente paso será determinar durante cuánto tiempo pueden mantener ese rendimiento en el océano y hasta qué profundidad resulta práctico utilizar esta tecnología.
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