21. September 2026- In einem bedeutenden Fortschritt für erneuerbare Meeresenergie haben Forscher aus China und der Schweiz erfolgreich Perowskit-Solarzellen demonstriert, die 10 Meter unter der Meeresoberfläche betrieben werden können und genug Strom erzeugen, um Lithium-Ionen-Batterien unter Wasser aufzuladen. Die Ergebnisse wurden am 11. September in der Fachzeitschrift Cell Press veröffentlichtJoulestellen die erste Funktionsvalidierung von getauchten Solarzellen in einer für praktische Anwendungen relevanten Tiefe dar.
Jenseits flacher Gewässer
Seit vielen Jahren wird Solarenergie an Land in Form von Solarzellen und verwandten Technologien genutzt, aber die Gewinnung von Solarenergie unter Wasser ist sehr kompliziert. Das Licht wird im Wasser sehr schnell schwächer und unter Wasser erscheinen verschiedene Lichtfarben. Bisherige Tests zur Unterwasser-Solarenergie wurden bis zu einer Tiefe von maximal zwei Metern durchgeführt, was für die tatsächliche Anwendung noch weit von der Realität entfernt ist.
„Es gibt nur sehr wenige Studien zu Unterwasser-Solarzellen, und alle konzentrieren sich auf sehr flache Wassertiefen von nur zwei Metern oder weniger“, sagte Wen-Hua Zhang von der Yunnan-Universität und der Southwest United Graduate School in Kunming, China, der die Studie leitete. „Diese Arbeit stellt die erste Funktionsvalidierung von getauchten Solarzellen dar, die praktisch in einer Wassertiefe von bis zu etwa 10 Metern funktionieren, was ihren Anwendungsbereich erheblich erweitert.“
Das Forschungsteam, dem auch Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) angehörten, ging die Herausforderung mit einer Material- und Gerätestrategie an, die sich auf Perowskit-Solarzellen mit großer Bandlücke konzentrierte.
Perowskite mit großer Bandlücke: Abstimmung auf Unterwasserlicht
Die Forscher verwendeten Bleihalogenid-Perowskite mit einer Bandlücke von etwa 1,96 eV, die speziell für die Absorption des blauen bis orangefarbenen Lichtspektrums entwickelt wurden, das in Tiefen von 5 bis 10 Metern vorherrscht. Eine wichtige Innovation war die Einführung von Polyhexamethylenguanidinhydrochlorid (PHMG) als Kristallisationsadditiv. Dieses Additiv moduliert die Energieniveaus innerhalb des Perowskitmaterials, unterdrückt die Migration von Halogenidionen, verringert die Defektdichte und verbessert die für die Gitterstabilität entscheidenden Faktoren für einen dauerhaften Unterwasserbetrieb.
Um die Geräteleistung unter Wasserbedingungen genau zu bewerten, entwickelte das Team ein maßgeschneidertes Laborsystem, das mit maßgeschneiderten optischen Filtern ausgestattet ist, um die Unterwasserbeleuchtung in verschiedenen Tiefen zu simulieren.
Beeindruckende Leistungskennzahlen
Die Ergebnisse waren beeindruckend. Unter simulierter Beleuchtung in einer Tiefe von 10 Metern erreichten die eingetauchten Perowskit-Solarzellen einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 34,71 %. Unter standardmäßiger AM 1,5G-Solarbeleuchtung erreichten die Zellen einen Wirkungsgrad von 17,08 %, wobei die besten Geräte einen Wert von 16,79 % bescheinigten.
Die Ergebnisse der Stabilitätstests waren ebenso optimistisch. Es wurde festgestellt, dass Solarmodule, die 300 Tage lang bei Raumtemperatur in einer mit Stickstoff gefüllten Glovebox gelagert wurden, etwa 96 % ihres ursprünglichen Wirkungsgrades beibehielten. Darüber hinaus wurde nach 1.160 Arbeitsstunden unter simulierten Bedingungen, die die Situation in einer Tiefe von 10 m nachahmen, kein Zerfall festgestellt. Darüber hinaus wurde durch beschleunigte Alterungstests die Lebensdauer des T80 auf 48.094 Stunden (oder etwa 5,49 Jahre) bei 25 Grad in einer simulierten Unterwasserumgebung geschätzt.
Vom Labor bis zum Südchinesischen Meer
Das Team wechselte von der Laborvalidierung zu Feldstudien. Sie stellten großflächige Perowskit-Photovoltaikmodule her und integrierten sie in die Unterwasserrobotik. Die Systeme wurden in 2, 6 und 10 Metern Tiefe in den Gewässern der Weizhou-Inseln im Südchinesischen Meer getestet.
Die vor Ort erzielten Ergebnisse bestätigten mit hoher Genauigkeit diejenigen aus Laborstudien. Die Tiefen ermöglichten die Gewinnung von Strom in Höhe von 1.416 MWh in 2 Metern Tiefe für den Zeitraum von 2 Stunden. Bei einer Entfernung von 6 Metern sanken diese Werte auf 752 MWh und bei einer Entfernung von 10 Metern noch weiter auf 324 MWh – genug, um Lithium-Ionen-Batterien und Power-LEDs aufzuladen.
„Was uns am meisten überraschte, war, wie viel elektrische Energie unsere großflächigen Module unter realen Bedingungen in 10 Metern Wassertiefe in nur zwei Stunden erzeugten“, sagte Zhang. „Darüber hinaus ist uns eine Skalierung von kleinflächigen Laborzellen hin zu großformatigen Modulen gelungen. Die Kombination der Laboruntersuchungen und der Feldexperimente liefert starke Belege für den Betrieb von Unterwasser-Photovoltaik.“
Ein Weg zur autarken Meeresenergie
Diese Entdeckung hat weitreichende Konsequenzen für verschiedene Bereiche. Im Wasser getauchte Solarzellen können eine unabhängige Energiequelle für im Wasser getauchte Werkzeuge sein, die für die Überwachung von Aquakulturen, Kommunikationssystemen, autonomen Unterwasserschiffen und Kameras zuständig sind. Laut Zhang könnten Unterwasser-Solargeräte es U-Booten und autonomen Unterwasserfahrzeugen ermöglichen, viel größere Entfernungen zu erreichen und Missionen mit längerer Dauer durchzuführen als bisher.
Die Studie wurde vom Yunling Scholar der Provinz Yunnan und der National Natural Science Foundation of China unterstützt. Zhangs Team plant, Perowskit-Solarzellen weiterhin in tieferen Wassertiefen zu testen, die Betriebsgrenzen der Unterwasser-Photovoltaik zu untersuchen und standardisierte Testprotokolle für dieses aufstrebende Gebiet zu erstellen.
Angesichts der Tatsache, dass über 70 % der Erdoberfläche aus Wasser bestehen, eröffnet die Gewinnung der unter dem Meer verborgenen Sonnenenergie einen enormen, unvorhersehbaren Weg zur Erzeugung grüner Energie. Dennoch müssen die verbleibenden Probleme wie Biofouling und langfristige Auswirkungen auf die Meeresökologie noch gelöst werden, aber die erfolgreiche Demonstration effektiver Unterwassersolarzellen in 10 Metern Tiefe ist ein unglaublich wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Schaffung autarker Meeresenergiesysteme.
