Investigadores de China demostraron generación fotovoltaica a 10 metros de profundidad, con módulos capaces de cargar baterías y una vida útil proyectada de unos 5,5 años bajo condiciones submarinas simuladas
Redactor: Santiago Duarte
Editor: Eduardo Schmitz
Un equipo de investigadores de China ha demostrado que células solares de perovskita especialmente diseñadas pueden producir electricidad a 10 metros bajo el mar, abriendo una vía para alimentar sensores, cámaras, sistemas de comunicación y otros dispositivos autónomos que necesitan funcionar durante largos períodos lejos de una conexión eléctrica convencional.
El trabajo, publicado en la revista científica Joule, fue encabezado por investigadores de la Universidad de Yunnan y se basa en células de perovskita de haluro de plomo con una banda prohibida de aproximadamente 1,96 electronvoltios. Su composición fue ajustada para aprovechar mejor la fracción del espectro solar que consigue atravesar varios metros de agua.
Una célula solar diseñada para la luz disponible bajo el agua
La radiación solar cambia considerablemente cuando penetra en el mar. El agua absorbe y dispersa la luz, y las diferentes longitudes de onda no desaparecen al mismo ritmo. A profundidades de entre 5 y 10 metros, la radiación disponible se concentra especialmente en la región azul-verde del espectro, aproximadamente entre 400 y 600 nanómetros.
Esta característica limita el rendimiento de una célula fotovoltaica convencional diseñada para aprovechar el espectro solar de la superficie. Los investigadores abordaron el problema modificando las propiedades del material de perovskita para que su absorción coincidiera mejor con la radiación que permanece disponible bajo el agua.
La capacidad de adaptar materiales fotovoltaicos a condiciones específicas forma parte de una evolución más amplia de la tecnología solar. En el ámbito agropecuario, por ejemplo, ya se investigan paneles solares traslúcidos que distribuyen la radiación entre la generación eléctrica y los cultivos, otra aplicación en la que controlar qué parte de la luz se aprovecha resulta determinante.
La perovskita alcanzó un 34,71 % bajo iluminación submarina simulada
Las células desarrolladas para el estudio incorporaron clorhidrato de polihexametileno guanidina (PHMG) como aditivo durante la cristalización de la perovskita. Este compuesto permitió modificar propiedades electrónicas del material, reducir defectos, limitar la migración de iones y mejorar la estabilidad de la estructura.
Las células alcanzaron una eficiencia de conversión del 17,08 % bajo iluminación solar estándar AM 1.5G, con una eficiencia certificada del 16,79 %. Cuando fueron evaluadas con un simulador que reproducía específicamente el espectro luminoso existente a 10 metros bajo el agua, la eficiencia alcanzó el 34,71 %.
Ese porcentaje no significa que el sistema produzca bajo el mar más electricidad que un panel convencional expuesto directamente al Sol. A 10 metros llega una cantidad de energía luminosa mucho menor. La cifra expresa qué proporción de esa radiación submarina disponible puede convertirse en electricidad bajo las condiciones experimentales empleadas.
El aprovechamiento de la radiación en entornos muy distintos ilustra la creciente especialización de los sistemas fotovoltaicos. También en agricultura, las investigaciones sobre la configuración de paneles en sistemas agrovoltaicos muestran que el rendimiento depende de adaptar la instalación a las condiciones concretas en las que deberá operar.
Las pruebas llegaron hasta los 10 metros en el mar de China Meridional
El equipo no se limitó a las simulaciones de laboratorio. Fabricó módulos de perovskita con una superficie activa de 115 centímetros cuadrados y realizó ensayos submarinos a profundidades de 2, 6 y 10 metros cerca de la isla Weizhou, en el mar de China Meridional.
Durante dos horas de iluminación solar, los módulos permitieron cargar baterías de ion-litio con 1.416 milivatios-hora a 2 metros de profundidad, 752 milivatios-hora a 6 metros y 324 milivatios-hora a 10 metros.
La producción disminuyó con la profundidad debido a la reducción de la radiación disponible, pero incluso a 10 metros los módulos consiguieron generar energía suficiente para demostrar la carga de baterías y el funcionamiento de pequeños dispositivos. Los investigadores también comprobaron la capacidad del sistema para alimentar luces LED.
La aplicación se sitúa en una escala muy diferente de las grandes instalaciones fotovoltaicas. El objetivo no es generar electricidad para una red, sino producirla directamente junto a equipos de bajo consumo. Esa descentralización energética también se observa en tecnologías destinadas al campo, como sistemas solares autónomos capaces de producir agua para riego sin conectarse a la red eléctrica.
Sensores y equipos acuícolas podrían beneficiarse de la tecnología
Uno de los principales problemas de las redes submarinas de observación es su suministro energético. Sensores de temperatura, oxígeno, salinidad, nutrientes y otras variables necesitan electricidad, al igual que cámaras, sistemas acústicos y equipos de comunicación. Cuando dependen exclusivamente de baterías, su autonomía queda condicionada por la energía almacenada y por la posibilidad de sustituirlas o recargarlas.
La fotovoltaica submarina podría cambiar ese esquema mediante sistemas híbridos en los que una pequeña batería almacene la electricidad producida durante las horas con iluminación suficiente y posteriormente alimente el dispositivo cuando la generación disminuya.
Entre las aplicaciones potenciales señaladas por los investigadores figuran sensores, cámaras, sistemas de comunicación y dispositivos autónomos submarinos. La tecnología también resulta de interés para instalaciones acuícolas que requieren instrumentación permanente para controlar las condiciones del agua o supervisar infraestructuras.
La combinación entre generación renovable, almacenamiento y electrónica de bajo consumo responde a una tendencia tecnológica más amplia. En otros sectores, el almacenamiento de excedentes solares y eólicos mediante nuevos sistemas energéticos también busca resolver la diferencia temporal entre el momento en que la energía está disponible y aquel en que debe utilizarse.
Las pruebas de estabilidad proyectan unos 5,5 años de operación
La estabilidad constituye uno de los puntos críticos para cualquier dispositivo de perovskita destinado a trabajar bajo el agua. La humedad es especialmente problemática para estos materiales, mientras que el ambiente marino añade salinidad, corrosión y otras condiciones exigentes para el encapsulado y los componentes electrónicos.
En las pruebas realizadas por el equipo, las células mantuvieron aproximadamente el 96 % de su eficiencia inicial después de 300 días almacenadas a temperatura ambiente en una atmósfera de nitrógeno. Además, no mostraron una degradación significativa después de 1.160 horas de seguimiento continuo del punto de máxima potencia bajo iluminación simulada correspondiente a 10 metros de profundidad.
Los ensayos acelerados permitieron calcular un T80 de 48.094 horas, equivalente a aproximadamente 5,49 años de funcionamiento continuo a 25 grados Celsius bajo las condiciones submarinas simuladas. El T80 representa el tiempo estimado hasta que el dispositivo conserva el 80 % de su rendimiento inicial.
Se trata de una proyección experimental y no de la constatación de que un módulo haya permanecido más de cinco años funcionando en el océano. La durabilidad real deberá comprobarse mediante exposiciones prolongadas a condiciones marinas naturales.
Bioincrustaciones y encapsulado siguen entre los desafíos
El despliegue de esta tecnología a largo plazo tendrá que afrontar factores que van más allá de la eficiencia de la célula. Uno de ellos es la bioincrustación, o biofouling, producida cuando microorganismos, algas y otros organismos colonizan las superficies sumergidas.
Una capa biológica acumulada sobre la protección transparente podría reducir la cantidad de luz que llega al material fotovoltaico. También será necesario garantizar encapsulados capaces de resistir la entrada de agua, la corrosión y las condiciones mecánicas del ambiente marino sin liberar componentes al entorno.
El estudio representa por ello una demostración tecnológica y no una solución comercial inmediata. Para avanzar hacia aplicaciones de larga duración deberán desarrollarse módulos de mayor tamaño, sistemas de almacenamiento adecuados, electrónica de muy bajo consumo y métodos de protección compatibles con los ecosistemas acuáticos.
La investigación amplía, en cualquier caso, los ambientes en los que puede plantearse la captación fotovoltaica. De la integración con cultivos a los sistemas autónomos, la energía solar está adoptando configuraciones cada vez más especializadas; un ejemplo paralelo es la integración de paneles solares con sistemas agrícolas para producir alimentos y electricidad en una misma infraestructura.
Una fuente local de electricidad para dispositivos autónomos
La principal aportación del trabajo reside en demostrar que la radiación que alcanza los 10 metros de profundidad todavía puede aprovecharse mediante una célula diseñada específicamente para ese espectro. La energía generada es modesta frente a una instalación solar terrestre, pero puede resultar relevante cuando el consumo del equipo también es reducido.
Un sensor que obtenga parte de su electricidad directamente del entorno podría permanecer desplegado durante más tiempo y reducir las operaciones necesarias para sustituir baterías. Esa posibilidad tendría aplicaciones en monitorización ambiental, investigación oceanográfica, acuicultura y sistemas autónomos de observación.
Los investigadores consideran necesario estudiar profundidades mayores y establecer procedimientos normalizados para comparar el comportamiento de diferentes tecnologías fotovoltaicas bajo condiciones submarinas. Variables como profundidad, turbidez, temperatura, salinidad y composición espectral de la luz pueden modificar sustancialmente el rendimiento.
Las pruebas realizadas en el mar de China Meridional constituyen así una validación de que las células de perovskita de banda ancha pueden producir electricidad útil a 10 metros bajo el agua. El siguiente desafío será determinar si esa capacidad puede mantenerse de manera fiable durante años en ambientes marinos reales y convertirse en una fuente energética práctica para redes de dispositivos autónomos.
Fuentes referenciales:
EcoInventos
Joule — Submerged solar harvesting with wide-band-gap perovskites for autonomous underwater energy systems
