撰稿 | Rayleigh（同济大学）
建设海洋强国是当今时代重要的国家战略。作为观察海洋现象和测量海洋要素的基本工具，海洋探测仪器在科学研究和军事活动中都有着重要价值，是建设海洋强国的技术基础之一。近年来水下观测设备大量涌现，种类也越来越多，如各种原位观测传感器、水下机器人、水下潜航器或无人船等，这些仪器面临的共同问题就是如何保障电力供应。
目前太阳能电池技术已经在海洋表面有了一定应用，电池板主要使用晶硅材料。比如美国国家海洋和大气管理局（NOAA）海洋勘探组织（相关介绍>>>）就曾公开了其研制的基于水下太阳能光伏发电供能的无人船，它携带了多种传感器设备，船体外表还镶嵌有大面积的硅材料太阳能光伏电池，它可以浮在水上接收太阳能能量，用于给其传感器设备供电，具有极强的机动性和灵活性。下图展示了其实物装置。
但在水下环境中，太阳能发电的应用仍相当有限。目前水下机器人（ROV）能量来源通常依赖于电池、与岸基电网或支援船只的连接电缆线，这种依赖导致ROV设备很难长时间和大范围运行。
基于硅材料的传统太阳能电池远非水下发电的理想选择，它的窄带隙特性意味着发电需要吸收大量的红光和红外光。不幸的是即使在较浅的深度，水也非常擅长吸收这些波长，结果导致传统硅太阳能电池在水下发电效率极低。相比于红光，蓝光和黄光（400-600 nm）更不容易被水吸收，可以穿透更深的水体。
鉴于此，纽约大学的研究人员在《Joule》杂志上给出了新的答案，宽带隙半导体材料制造的太阳能电池在水下工作得更好。这一发现可能有助于开发和筛选更高效的太阳能电池材料，为水下机器人或其他无人潜水器、传感器提供更高效的动力。
这种宽带隙的水下太阳能电池，可能会成为水下应用的候选者。
海水的光学透过率
研究人员首先将从大西洋和太平洋最清澈的区域，一直到芬兰湖的多种水体数据进行了分析，计算了这些水体的光透过率，并和实验室内去离子超纯水光透过率进行了比较。
结果表明：全球不同水域对太阳光都有明显的选择性吸收。在700-800nm之间，水体的光谱衰减系数趋于一致，并且衰减强度明显大于400到600波段，这主要是水分子的强吸收所导致。水体在黄绿波段则相对衰减最小。但不同水域水体测量结果相差比较大，这与水体的浑浊度有很大关系。在清澈水体中，水分子的光谱吸收能力是主要贡献者。浑浊水体中，则叠加了浑浊物质的吸收衰减和光散射增强等影响。
下图展示了南太平洋海水从表面到水下50m范围，不同水深处太阳光强的测试结果，该处海域干净清澈，水体透明度很高。可以看出700-800nm的近红外波段衰减程度远大于400-650nm波段，当水深达到2m时，太阳光近红外波段的能量已经消失殆尽，但相对短波长的光在50m处仍有较大强度。考虑到传统的硅材料太阳能电池硅需要吸收大量的红光和红外光，显然不是最理想的水下太阳能发电材料。
太阳能电池水下发电效率评估
参考文献
[1] Jason A. Röhr,Jason Lipton,Jaemin Kong,Stephen A. Maclean,André D. Taylor. Efficiency Limits of Underwater Solar Cells[J]. Joule,2020,4(4).
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