In einem Beitrag im Fachjournal Joule beschreibt ein Team unter Leitung von Wen-Hua Zhang an der Yunnan-Universität eine Wide-Bandgap-Perowskitzelle, die speziell für das schwache blau-grüne Licht konstruiert ist, das einige Meter unter der Meeresoberfläche überlebt – und berichtet von einem Rekordwirkungsgrad von 34,71 % unter Wasser.
Das physikalische Problem ist gravierend. Wasser ist ein brutaler optischer Filter: Licht oberhalb von etwa 630 Nanometern wird in den ersten Metern absorbiert. Die energiearmen roten und infraroten Photonen, auf die terrestrische Siliziumzellen und Standard-Perowskite mit 1,55 eV optimiert sind, kommen unten also nie an. Übrig bleibt in einigen Metern Tiefe ein schwaches blau-oranges Leuchten zwischen 400 und 600 nm.
Zhang stimmte die Zelle mit einem gemischt-anionischen Bleihalogenid-Perowskit auf dieses Fenster ab, mit einer optischen Bandlücke von rund 1,96 eV. Wide-Bandgap-Perowskite sind notorisch zerbrechlich: Helles Licht und Wärme treiben Halogenid-Ionenwanderung, Phasenseparation und Defektbildung voran. Unter Wasser ist die Chemie gnädiger – Temperaturen unter 25 °C und geringere Lichtintensität dämpfen die thermische Degradation – doch die inneren Defekte bleiben.
Um sie zu beheben, setzten die Forscher Polyhexamethylen-Guanidinhydrochlorid (PHMG) zu, ein Polymer, dessen Guanidinium-Kationen als mehrzähnige Anker in Leerstellen des Kristallgitters greifen und über Wasserstoffbrücken an Blei- und Halogenidionen binden. Das hebt die Aktivierungsenergie für Ionenwanderung von 0,07 eV auf 0,21 eV, friert die Phasensegregation ein und verschiebt die Oberflächenleitfähigkeit von p- auf n-Typ, wodurch Bandverbiegung entsteht, die die Elektronenextraktion beschleunigt und die nichtstrahlende Rekombination senkt.
Die Zahlen: 16,79 % zertifizierter Wirkungsgrad unter normalem Sonnenlicht; 34,71 % für eine Zelle mit 0,0895 cm² in einem Unterwasser-Sonnensimulator, der 10 m Tiefe nachbildet. Das Team baute zudem Module mit fast 29 cm² aktiver Fläche, verkapselt in Polyisobutylen, Deckglas und Epoxidharz. Auf einem Miniaturroboter im Südchinesischen Meer nahe der Insel Weizhou gefertigt, produzierten die Module auch in 10 m Tiefe weiter Strom und erzeugten 324 mWh, um Lithium-Ionen-Akkus zu laden, die ein LED-Panel speisten.
Beschleunigte Alterungstests und Arrhenius-Modellierung sagen eine T80-Lebensdauer – 80 % der Anfangsleistung – von rund 48.094 Stunden vor, also 5,49 Jahre Dauerbetrieb bei 25 °C. Massenspektrometrie fand praktisch kein ausgetretenes Blei. Zhang nennt Biofouling als nächstes offenes Problem und verlangt dafür interdisziplinäre Arbeit. Die angestrebten Anwendungen sind autonome Meeresinfrastruktur: Tiefseesensoren, Forschungskameras und Unterwasser-IoT-Knoten.
