建設(shè)海洋強(qiáng)國是當(dāng)今時(shí)代重要的國家戰(zhàn)略。作為觀察海洋現(xiàn)象和測(cè)量海洋要素的基本工具，海洋探測(cè)儀器在科學(xué)研究和活動(dòng)中都有著重要價(jià)值，是建設(shè)海洋強(qiáng)國的技術(shù)基礎(chǔ)之一。近年來水下觀測(cè)設(shè)備大量涌現(xiàn)，種類也越來越多，如各種原位觀測(cè)傳感器、水下機(jī)器人、水下潛航器或無人船等，這些儀器面臨的共同問題就是如何保障電力供應(yīng)。

目前太陽能電池技術(shù)已經(jīng)在海洋表面有了一定應(yīng)用，電池板主要使用晶硅材料。比如美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）海洋勘探組織就曾公開了其研制的基于水下太陽能光伏發(fā)電供能的無人船，它攜帶了多種傳感器設(shè)備，船體外表還鑲嵌有大面積的硅材料太陽能光伏電池，它可以浮在水上接收太陽能能量，用于給其傳感器設(shè)備供電，具有極強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和靈活性。下圖展示了其實(shí)物裝置。

太陽能無人觀測(cè)平臺(tái)

但在水下環(huán)境中，太陽能發(fā)電的應(yīng)用仍相當(dāng)有限。目前水下機(jī)器人（ROV）能量來源通常依賴于電池、與岸基電網(wǎng)或支援船只的連接電纜線，這種依賴導(dǎo)致ROV設(shè)備很難長時(shí)間和大范圍運(yùn)行。

水下太陽能電池提供了一種在科學(xué)研究和應(yīng)用中都具有吸引力的替代方法，它可以讓ROV設(shè)備將“發(fā)電機(jī)”帶在身上，從而大大增加ROV的活動(dòng)靈活度和隱蔽性。

基于硅材料的傳統(tǒng)太陽能電池遠(yuǎn)非水下發(fā)電的理想選擇，它的窄帶隙特性意味著發(fā)電需要吸收大量的紅光和紅外光。不幸的是即使在較淺的深度，水也非常擅長吸收這些波長，結(jié)果導(dǎo)致傳統(tǒng)硅太陽能電池在水下發(fā)電效率極低。相比于紅光，藍(lán)光和黃光（400-600nm）更不容易被水吸收，可以穿透更深的水體。

鑒于此，紐約大學(xué)的研究人員在《Joule》雜志上給出了新的答案，寬帶隙半導(dǎo)體材料制造的太陽能電池在水下工作得更好。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于開發(fā)和篩選更高效的太陽能電池材料，為水下機(jī)器人或其他無人潛水器、傳感器提供更高效的動(dòng)力。

這種寬帶隙的水下太陽能電池，可能會(huì)成為水下應(yīng)用的候選者。

圖源：AllisonKalpakci

海水的光學(xué)透過率

研究人員首先將從大西洋和太平洋最清澈的區(qū)域，一直到芬蘭湖的多種水體數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，計(jì)算了這些水體的光透過率，并和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)去離子超純水光透過率進(jìn)行了比較。

結(jié)果表明：全球不同水域?qū)μ柟舛加忻黠@的選擇性吸收。在700-800nm之間，水體的光譜衰減系數(shù)趨于一致，并且衰減強(qiáng)度明顯大于400到600波段，這主要是水分子的強(qiáng)吸收所導(dǎo)致。水體在黃綠波段則相對(duì)衰減最小。但不同水域水體測(cè)量結(jié)果相差比較大，這與水體的渾濁度有很大關(guān)系。在清澈水體中，水分子的光譜吸收能力是主要貢獻(xiàn)者。渾濁水體中，則疊加了渾濁物質(zhì)的吸收衰減和光散射增強(qiáng)等影響。

下圖展示了南太平洋海水從表面到水下50m范圍，不同水深處太陽光強(qiáng)的測(cè)試結(jié)果，該處海域干凈清澈，水體透明度很高。可以看出700-800nm的近紅外波段衰減程度遠(yuǎn)大于400-650nm波段，當(dāng)水深達(dá)到2m時(shí)，太陽光近紅外波段的能量已經(jīng)消失殆盡，但相對(duì)短波長的光在50m處仍有較大強(qiáng)度。考慮到傳統(tǒng)的硅材料太陽能電池硅需要吸收大量的紅光和紅外光，顯然不是最理想的水下太陽能發(fā)電材料。

不同水深位置處太陽光譜強(qiáng)度

來源：Joule

太陽能電池水下發(fā)電效率評(píng)估

為評(píng)估太陽能電池在水下環(huán)境的發(fā)電效率上限，研究者采用一個(gè)詳細(xì)的平衡模型進(jìn)行了評(píng)估，模型參數(shù)細(xì)節(jié)可以參考文獻(xiàn)[1]。評(píng)估過程只考慮材料的輻射復(fù)合過程，對(duì)于非輻射復(fù)合則予以忽略。模型結(jié)果表明，在海平面上，光伏材料最佳帶隙在1.1-1.4v之間，對(duì)應(yīng)的最大發(fā)電效率約為33%，該結(jié)果與經(jīng)典的肖克利-奎伊瑟極限理論結(jié)果相符，也正好是傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體太陽能電池的帶隙范圍。而在水下環(huán)境中，能量帶隙與水的深度有著密切關(guān)系。

如下圖所示，隨著水深的增加，最優(yōu)的材料能量帶隙在變寬，最大發(fā)電效率也跟著改變。在2m水深處，材料最佳帶隙為1.8V，對(duì)應(yīng)發(fā)電效率為55%，而到了10m水深，材料最佳帶隙為2.1V，對(duì)應(yīng)發(fā)電效率為62.5%，在50m水深處，材料最佳帶隙為2.4V，對(duì)應(yīng)發(fā)電效率為63%。并且這些數(shù)值在所研究的所有水域中保持一致，也就是說，水下太陽能電池設(shè)計(jì)可以只根據(jù)工作深度“量身定做”，而不必過多考慮水域位置的影響。

根據(jù)理論計(jì)算，在最理想的條件下，寬帶隙水下太陽能電池光能量利用效率，理論上可以高達(dá)65%

來源：Joule

另外值得提及的是，這里的計(jì)算均假定溫度為300K，而實(shí)際光伏材料的發(fā)電效率隨著溫度的降低而有所增加，肖克利-奎伊瑟極限理論計(jì)算表明，當(dāng)溫度從300K降低到272K時(shí)，硅基太陽能電池的效率可以提高3.4%-4.3%之間。鑒于水體散熱性能遠(yuǎn)好于空氣，并且在淺海區(qū)域，海洋溫度隨著水深的增加而降低，這一特性會(huì)給水下光伏發(fā)電帶來了額外的好處。

由于隨著水深的增加，太陽光絕對(duì)強(qiáng)度也在降低，所以水下太陽能布放深度范圍也是有限的。研究者計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，在清澈的海域里，在水深50m處的太陽輻照度仍能達(dá)到5mW/cm2。如果按理想的65%轉(zhuǎn)化效率計(jì)算，1平方米的太陽能電池板可以輸出32.5W的電力，這已經(jīng)足夠滿足溫度，鹽度，壓力和水聽器等諸多傳感器的用電需求了。

目前常見的寬帶隙太陽能電池材料包括氧化鋅、硒化鋅和鈣鈦礦等。這些材料物理化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，抗輻射性能也不錯(cuò)，隨著制備技術(shù)的改進(jìn)，其生產(chǎn)成本也越來越低。這些新材料的總體封裝設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)硅太陽能電池相似，這降低了寬帶隙材料在水下太陽能電池推廣使用的門檻。中國光學(xué)