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水下太陽能電池重大突破：高分子調控鈣鈦礦如何利用藍綠光引爆海洋能源革命？

 

圖靈學院編輯部
2026-10-5

 

引言：海洋探索的「心臟問題」與太陽能的藍色新頁

 

    地球表面超過 71% 被海洋覆蓋，隨著藍色經濟與海洋科技的蓬勃發展，水下自主載具（AUV）、水下機器人、海洋環境監測感測器以及水下物聯網（Underwater IoT）的部署需求急劇上升。然而，長期以來限制海洋探索的最大瓶頸莫過於「能源供給」。傳統水下設備主要仰賴高成本的一次性鋰電池或笨重的拖曳電纜。前者電力耗盡即需昂貴的人力回收，後者則極大地限制了設備的移動範圍。儘管太陽能光伏技術在陸地上已非常成熟，但將太陽能板直接沉入水下發電，長久以來被業界視為效率低下且極具挑戰的思維。2026 年 9 月，權威物理學網站《Physics World》報導了一項發表於頂尖能源期刊《Joule》的突破性研究。由雲南大學馬斯敏（Simin Ma）、蔡冰（Bing Cai）、瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）米夏埃爾·格雷策爾（Michael Grätzel）教授及中科院等聯合團隊，成功開發出一種經過高分子聚合物改質的寬能隙（Wide-bandgap）鈣鈦礦太陽能電池。該電池在模擬水深 10 公尺的光譜環境下，創下了驚人的 34.71% 光電轉換效率紀錄，並於南海涠洲島海域完成實地海洋驗證。這項研究不僅打破了水下光伏效率的歷史紀錄，更為海洋自主能源系統帶來了根本性的技術轉折。

 

一、 陸地霸主「矽」在水下失靈：水下光學環境的物理限制

 

    要理解這項 breakthrough 的偉大之處，首先必須了解太陽光在水下的物理傳播特性。

 

1. 太陽光譜的水下過濾效應

 

    當太陽光穿透水體時，水分子會對不同波長的光線進行選擇性吸收。波長較長、能量較低的紅光與紅外光（>700 nm）在穿透水面幾公尺內便被快速吸收並轉化為熱能；相較之下，波長較短、能量較高的藍綠光波段（約 400–600 nm） 在水下的穿透力最強。隨著水深增加，太陽光譜會迅速收窄為一道窄頻的藍綠光束。

 

2. 傳統矽晶電池的「能隙錯配」

 

    目前陸地佔有率高達九成以上的單晶矽太陽能電池，其帶隙（Bandgap）約為 1.1 eV，設計目標是吸收廣闊的陸地太陽光譜（300–1100 nm）。然而當矽晶電池被放入水下時，占陸地太陽能絕大部分的紅外與紅光光子已被水體剔除，矽晶電池無法有效針對高能量的藍綠光子進行最優化轉化，導致嚴重的熱化損失（Thermalization loss），水下轉換效率大打折扣。

 

3. 鈣鈦礦的「化學調色盤」優勢

 

    與能隙固定的矽材料不同，鈣鈦礦（Perovskite）材料具備極高的光學調控自由度。研究團隊透過調整鹵素離子比例，將鈣鈦礦的光學能隙精準拉升至 ~1.96 eV。這個能隙恰好完美匹配水下 10 公尺處殘留的藍綠光峰值，使每一個入射的高能光子都能發揮最大的發電效益。

 

二、 高分子調控（Polymer Tuning）：微觀層面的分子工程魔法

 

    寬能隙鈣鈦礦雖然在光譜匹配上具有先天優勢，但在材料科學上卻面臨相分離（Phase Segregation）與內部結晶缺陷多的致命傷，這會導致光生電子與空穴極易復合，且材料對水分極度敏感。團隊如何解決這一難題？答案在於「高分子聚合物改質」。

 

1. PHMG 聚合物的多點錨定機制

 

    研究團隊在混合鹵素鉛基鈣鈦礦中引入了名為聚六甘胍（PHMG） 的有機高分子聚合物。PHMG 分子鏈上含有豐富的官能基，能在鈣鈦礦結晶過程中扮演「多點錨定劑（Multisite Anchors）」的角色：

• 鎖定空位：PHMG 能填補鈣鈦礦晶格內部的空位缺陷，阻止離子在電場或光照下的非正常遷移。
• 化學膠水：它如同一種分子級別的膠水，緊密結合鈣鈦礦晶粒，促進更大粒徑、定向生長的優質結晶形成，顯著減少了晶界（Grain Boundaries）數量。

 

2. 從陸地到水下的效率飛躍

 

    經過 PHMG 聚合物調控後，鈣鈦礦薄膜的缺陷密度大幅降低，載子壽命顯著延長：

• 在標準陸地太陽光（AM1.5G）下，該電池的光電轉換效率為 17.08%；
• 然而當放入模擬水深 10 公尺的藍綠光光譜環境下時，效率直接暴增至 34.71%！
• 即便將電池按比例放大至大面積模組，水下效率依然高達 29.4%。

 

三、 翻轉劣勢：水下環境帶來的天然「物理加成」

 

    傳統觀念認為水是太陽能電池的克星，但該研究揭示了在妥善封裝前提下，水下環境反而為太陽能發電提供了陸地所沒有的三大物理優勢：

 

1. 折射率完美匹配（Refractive Index Matching）：

    在陸地空氣中，空氣（折射率 n≈1.0）與太陽能板封裝玻璃（n≈1.5）之間存在較大折射率差，導致相當比例的光線被反射拋棄。但在水下，海水（n≈1.33）與封裝材料的折射率極為接近，入射光的表面反射損失大幅降低，更多光子得以進入吸收層。

2. 極佳的天然水冷效應（Cooling Effect）：

 

    

陸地太陽能板在夏季暴曬下溫度常飆升至 60°C 以上，高溫會導致開路電壓（Voc）劇烈下降，降低發電效能。海水的巨大熱容提供了恆定的低溫環境，使水下鈣鈦礦電池始終運行於最佳的電壓狀態。

 

3. 海水即天然「濾光片」：

    海水自動濾除了無效且會產生高熱的紅外線，將優質的高能藍綠光直接「餵」給寬能隙鈣鈦礦，實現了近乎理想的光譜轉換條件。

 

四、 嚴苛的海試驗證與長效穩定性

 

    論文最引人注目的亮點之一，是研究團隊並未止步於實驗室數據，而是將技術帶到了真實海洋環境中。

 

1. 南海潿洲島實地海試

 

    團隊在中國南海潿洲島海域（水深 10 公尺）部署了封裝好的鈣鈦礦大面積太陽能模組。在連續 2 小時的水下光照中，模組成功產生了 324 mWh 的電能，不僅順利為水下鋰電池完成充電，還直接驅動了水下 LED 照明陣列，驗證了其作為水下獨立供電系統的可行性。

 

2. 令人驚豔的耐久度與安全性

 

    對於鈣鈦礦這類含鉛且易水解的材料，水下長期運作的安全性至關重要：

• 超長壽命預估：在模擬水下 10 公尺連續光照運轉 1,160 小時後，電池效率幾乎零衰減；在大氣環境下儲存 300 天仍保持 96% 初始效率。模型推算其水下連續工作壽命可達 5.5 年。
• 防漏鉛安全機制：即使在封裝層遭遇人為破損的極端測試下，10 天海水浸泡所釋放出的微量鉛離子濃度，仍遠低於國際飲用水安全標準，解決了生態毒性的後顧之憂。

 

五、 產業影響與深度評論：水下物聯網的能源新紀元

 

    這項成果發表後，在國際學界與海洋工程界引發了廣泛討論。從產業角度評析，該技術將對以下領域產生深遠影響：

 

1. 顛覆 AUV 與水下機器人的作業模式

 

    目前的 AUV 航行範圍嚴重受限。未來若在 AUV 軀幹表面貼附輕薄軟性的鈣鈦礦太陽能薄膜，AUV 執行任務期間只需在白天白光區（Photics Zone）懸停或定點潛航，即可完成自我充電，使「永久駐留型水下機器人」成為可能。

 

2. 構建全天候水下物聯網（Underwater IoT）

 

    深海水質監測、珊瑚礁生態追蹤、海底地震預警等感測網，過去常因維護困難而受限。水下太陽能電池結合微型鋰電池的混合供電方案，能提供長達數年的穩定能源，顯著降低海洋觀測網的維運成本。

 

3. 未來挑戰與商業化落地門檻

 

    儘管技術前景光明，但要真正實現規模化商業應用，仍需克服以下三大挑戰：

• 海洋生物附著（Biofouling）：海水中的藤壺、藻類與微生物極易在太陽能面板表面沉積形成生物膜，遮蔽日光。未來必須將太陽能封裝材料與高效超疏水、抗生物附著塗層相結合。
• 濁度與區域限制：泥沙含量高的近岸水域或深度超過 20–50 公尺的深海，日光衰減極快，水下太陽能的效益會急劇下降。技術定位應精準鎖定於「透光度良好的淺海與近岸水域」。
• 標準化測試協定的缺失：目前全球缺乏統一的水下太陽能標準測試條件（如標準水下光譜模式），產業界需加速推動跨國認證標準的建立。

 

結語：從陸地走向藍色國土的太陽能革命

 

    這篇獲《Physics World》報導的研究，展示了材料科學如何精準應對複雜的物理環境。雲南大學與 EPFL 等團隊巧妙地利用高分子聚合物（PHMG）調控寬能隙鈣鈦礦，將看似阻礙太陽能發電的「水下藍綠光與低溫環境」，反轉為創造 34.71% 超高效率的天然優勢。這不僅是鈣鈦礦材料領域的一次重大勝利，更標誌著太陽能技術正式從陸地、屋頂，擴展至遼闊的藍色海洋。隨著封裝技術與防污材料的持續演進，水下太陽能電池必將成為未來海洋開發、深海物聯網與全球碳中和版圖中，不可或缺的藍色能源新引擎。

參考資料
physicsworld.com:Polymer-tuned perovskite creates high-efficiency underwater solar cells.