Este vídeo é trazido a você por Brilliant. Há sempre a promessa de algum grande
avanço que vai mudar tudo. Bem, os cientistas acabaram de quebrar o
recorde de eficiência do painel solar, e isso pode significar uma grande mudança para o futuro da energia renovável.
Isso não é apenas mais hype, mas um sinal de onde as coisas estão hoje e estão indo.
No entanto, esta não é a única grande notícia solar de 2022. Houve
muitos avanços muito recentes de perovskitas para células solares orgânicas também,
então o que isso significa para você e para mim? Vamos ver se podemos chegar a uma decisão sobre isso.
Cobri muitas notícias sobre painéis solares nos últimos anos,
bem como minha experiência com meus próprios painéis solares em minha casa.
A energia solar é praticamente o avô da família de energia renovável, e por uma boa razão:
há uma fonte de energia ilimitada brilhando sobre nós literalmente todos os dias, apenas esperando para ser
aproveitada. Apenas uma hora de energia do sol é mais do que o mundo inteiro usa em um ano! É
por isso que estou tão fascinado por isso, mas a grande desvantagem é que não podemos capturar toda essa energia.
Nessa linha, muitas pessoas deixam comentários que basicamente dizem que
“os painéis solares não são eficientes o suficiente” e, provavelmente, “nunca serão”. Essa linha de pensamento
sempre me surpreende porque as tecnologias que todos damos como garantidas hoje foram os avanços
de uma década atrás, então os avanços de hoje são para onde as coisas estão indo.
Nos últimos meses, vimos alguns avanços empolgantes na energia solar,
alguns pelos quais esperávamos há quase dez anos. Então, se você está esperando o
benchmark certo – talvez uma meta de taxa de eficiência ou o tipo certo de material para entrar em
uso comercial – sua espera pode ter acabado, mas vamos analisar algumas das atualizações mais interessantes
também como algumas das pegadinhas e o que isso significa para nós.
Primeiro, temos que falar sobre algumas das maiores novidades na frente solar,
e esse é o fato de que o Laboratório Nacional de Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA
acabou de estabelecer um novo recorde de eficiência de células solares de 39,5%. Isso foi realizado sob
condições de iluminação semelhantes às do sol, o que é uma mudança radical em relação ao último recorde mundial.
As células solares experimentais anteriores mostraram taxas de eficiência máximas de 47,1% em 2019,
mas isso foi apenas quando expostas a luz extremamente concentrada.
Então como eles fizeram? Em vez de adicionar mais luz (como o último registro fez),
as células recordistas do NREL usam células de multijunção metamórfica invertida (IMM). Essas células
têm três camadas empilhadas umas sobre as outras, cada uma feita de um material diferente:
fosfeto de gálio índio no topo, arseneto de gálio no centro e arseneto de gálio índio na parte inferior. Cada um
absorve uma faixa diferente de comprimentos de onda de luz, o que permite que a célula capture mais energia de
todo o espectro de luz. Você também pode encontrar trezentos “poços quânticos” na camada intermediária,
que foi a chave para desbloquear a nova taxa de eficiência dessas células Esses poços estenderam o bandgap
na célula, o que aumentou a quantidade de luz que a célula poderia absorver em geral.
O NREL não é o único que teve sucesso em extrair mais energia ajustando seu
design de célula solar. Uma equipe co-liderada pela Universidade de Surrey aumentou a quantidade de energia absorvida por
seus painéis fotovoltaicos finos em 25%. Os painéis em si têm apenas um micrômetro de espessura,
mas são feitos com uma camada de favo de mel que permite a absorção de luz. Em células de silício,
quase ⅓ da luz que atinge a célula geralmente é refletida imediatamente, mas o design texturizado
dessas células fotovoltaicas finas captura a luz na célula solar para aumentar a eficiência.
Este design foi inspirado pela natureza - asas de borboleta e olhos de pássaro
já fazem isso até certo ponto. No laboratório, a equipe observou taxas de absorção de 26,3 mA/cm2, um
aumento de 25% em relação ao recorde anterior de 19,72 mA/cm2 em 2017.
A taxa de eficiência também não é muito ruim: essas células têm uma taxa de eficiência de 21 %,
com a expectativa de que mais ajustes aumentem esse número,
possivelmente ainda mais do que outros fotovoltaicos disponíveis comercialmente.
Os painéis solares geralmente andam de mãos dadas com o silício (que é usado em 95%
dos painéis no mercado atual), mas há um farol persistente no horizonte
do mundo solar: as perovskitas. Já falei sobre isso em vídeos anteriores.
As perovskitas são um grupo de materiais sintéticos que são definidos por sua
estrutura cristalográfica. Em geral, eles revestem facilmente as superfícies, o que significa que podem ser usados ​​em células por
conta própria ou em conjunto com outras tecnologias (como nossas células de silício cristalino existentes).
Esses semicondutores de perovskita podem converter o espectro azul rico em energia da luz solar
em energia; portanto, quando usados ​​em conjunto com subcélulas de silício,
podemos obter taxas de eficiência de até 30% (em comparação com 25% em células de perovskita de junção única).
As perovskitas devem ser o trio de ouro: baratas de produzir, competitivamente eficientes
e finas e leves o suficiente para serem aplicadas em praticamente qualquer lugar. É por isso que os pesquisadores
estão se esforçando para colocá-los no mercado, mas houve alguns
obstáculos logísticos antes que as perovskitas pudessem tentar dar às células de silício uma corrida pelo seu dinheiro.
O primeiro problema é um dos maiores obstáculos da perovskita: o fator durabilidade. A natureza fina e leve da célula de perovskita
é uma vantagem, mas também significa que ela é frágil, o que não é ótimo
para um material que será colocado contra chuva, sol, granizo e tudo mais
. As amostras costumavam quebrar antes que os pesquisadores pudessem atravessar o laboratório para serem testadas! Se
as amostras não puderem ser manuseadas no laboratório, elas não podem suportar a chuva de granizo ocasional ou as
tensões aplicadas pelo carregamento do vento e torção na estrutura do painel solar no mundo real.
Felizmente, eles percorreram um longo caminho desde então. Um estudo de abril descobriu que compostos organometálicos
podem ser usados ​​como aditivos para ajudar a melhorar a vida útil, a eficiência e a estabilidade das células. As
células aprimoradas mantiveram 98% da taxa de eficiência de conversão de energia original de 25% da célula
após 1.500 horas de uso, e também passaram nos testes de estabilidade ao calor úmido com louvor.
Os pesquisadores também estão se aprofundando no motivo pelo qual a perovskita funciona como funciona, tanto para o bem quanto para
o mal. Em maio de 2022, cientistas da Universidade de Cambridge e do Instituto de
Tecnologia de Okinawa do Japão (OIST) usaram técnicas de imagem para observar a estrutura de filmes de perovskita em
nanoescala, especialmente quando a luz realmente atinge o filme. Eles encontraram um dos culpados
por trás do infame problema de fotodegradação da perovskita: aglomerados de armadilhas nanoscópicas. São
defeitos no material que aparecem como bolsões do processamento da célula, o que acaba tornando
o filme menos eficiente e estruturalmente frágil. A principal maneira de combater essas
armadilhas de transportadores que limitam a eficiência é removê-las durante o processo de fabricação por meio de um ajuste cuidadoso
do projeto estrutural e químico. Faça esses ajustes amigáveis ​​em grande escala e você terá
uma receita para fazer mais desses filmes e, ao mesmo tempo, torná-los melhores no departamento de desempenho.
E se fazer novas células solares fosse tão simples quanto imprimir um jornal?
É isso que os produtores de células de energia orgânica esperam realizar
e, a partir de agora, estão prontos para levar essa tecnologia ao mercado mundial.
As células de energia orgânicas são feitas pela impressão de material fotovoltaico em materiais flexíveis,
como folhas de plástico. Essas células solares finas como papel são compostas inteiramente de materiais orgânicos:
flexíveis, leves e rápidas de fabricar com tecnologia de impressão
( o mesmo processo de impressão de jornais!)
também 100X mais leve. Cada metro quadrado pesa menos de 2 quilogramas,
e é provável que caia para 1 quilo em 2023.
Ao contrário das células de silício, sua taxa de eficiência de conversão não cai quando usadas em ambientes fechados, o que
as torna mais atraentes para dispositivos como alto-falantes inteligentes, sensores, e outros wearables que podem
não ver muita luz solar direta real. Isso faz uso da luz ambiente existente,
convertendo parte dela em energia elétrica, reduzindo a carga em pequenas baterias e dispositivos de carregamento.
A taxa de eficiência deixa um pouco a desejar em 10%,
mas essas células também podem ser usadas por cerca de 20 anos, o que já supera a
vida útil atual da perovskita (mais sobre isso depois). À medida que mais empresas começam a aumentar a produção,
essa produção em massa tem o potencial de reduzir os custos pela metade.
Essas células solares “impressão sob encomenda” estão começando a chegar ao mercado em escala global.
A startup alemã Heliatek está iniciando a produção em massa de células solares orgânicas
ainda este ano, com o objetivo de produzir 600.000 metros quadrados (e uma
capacidade máxima de produção de 1,1 milhão de metros quadrados por ano!) A startup brasileira Sunew também tem essas
células orgânicas em produção , produzindo mais de 10.000 metros quadrados de células solares orgânicas até agora
para telhados de veículos (já que são grandes ventiladores de veículos elétricos). A Epishine da Suécia
colocou seus módulos de coleta solar em miniatura no mercado em dezembro passado,
ostentando uma taxa de conversão de energia de 13% e uma vida útil de 10 anos. Eles podem ser usados
​​para sensores de controle de temperatura e umidade, alarmes de incêndio, leitores de cartão e outros
dispositivos pequenos, mas importantes, que geralmente se misturam ao fundo. E então você tem a Ricoh no Japão,
começando em uma escala menor. Eles produzem apenas 100 metros quadrados por ano, mas isso é suficiente para alimentar
50.000 pequenos dispositivos inteligentes, de wearables a sensores de segurança em túneis e pontes.
Mesmo essas células frias têm espaço para melhorar, e os pesquisadores descobriram
dois desenvolvimentos importantes com potencial para realmente ajudar as células orgânicas a capturar essa faísca.
Aperte o cinto, vamos ficar bem nerds aqui. Vamos falar de quiralidade.
O DNA (e outras moléculas em forma de hélice) são considerados quirais. Esse design está em toda parte
na natureza e é a chave para praticamente tudo, desde nossa composição genética até a fotossíntese.
Eles são assimétricos e, à medida que os elétrons passam pela estrutura, separam as cargas
criadas pela luz (o que significa que a luz pode ser convertida em bioquímicos com mais eficiência).
Agora, geralmente, as moléculas ficam com seus próprios cliques estruturais... é
como no ensino médio... (quiral com quiral, aquiral com aquiral,
etc). No entanto, pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign descobriram que, quando
aplicaram polímeros conjugados aquirais com um solvente, a solução eventualmente evaporou
para deixar para trás polímeros reagrupados: mais especificamente, hélices, também conhecidas como estruturas quirais.
Passar de estruturas aquirais para estruturas quirais é um grande negócio,
especialmente quando se trata de aplicar a ideia à energia solar orgânica. Em teoria,
os cientistas podem aplicar essa estrutura quiral (e toda a bondade produtora de energia que a acompanha
) a materiais que normalmente exigem polímeros conjugados aquirais para funcionar, como células solares.
Em segundo lugar, vamos falar sobre o assunto favorito de todos: ionômeros de ácido sulfúrico perfluorados.
(Não? Só eu?) Deixe-me explicar: para fazer células solares orgânicas totalmente imprimíveis,
você precisa de materiais de transporte de buracos. Isso é buraco, não inteiro... você tem que amar a língua inglesa.
Estes são HTMs para breve. Um desses HTM promissores foi o PEDOT:PSS, um
complexo de polímero condutor que é usado para fazer dispositivos imprimíveis. Existe desde a década de 1990,
mas está ficando aquém hoje. Infelizmente, ele se dispersa na água e é muito ácido,
o que pode afetar a eficiência e a estabilidade das células solares baseadas em PEDOT:SS.
Para combater isso, pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong
e do Instituto de Materiais para Eletrônica e Tecnologia de Energia (i-MEET) criaram o
PEDOT:F, um novo complexo polimérico que se dispersa em álcool e tem baixa acidez.
Com esta nova fórmula, os fotovoltaicos orgânicos demonstraram
ter uma eficiência de conversão de energia de 15% e retiveram 83% de sua
eficiência inicial sob iluminação constante na potência máxima por um total de 1.330 horas.
Esses novos desenvolvimentos solares podem não ser os que mais chamam a atenção da pessoa comum,
mas são um sinal claro de que ainda há mais energia solar no horizonte. Então, o que
podemos realmente tirar desses desenvolvimentos e o que isso significa para a indústria em geral?
Primeiro, por mais emocionante que seja quebrar o recorde mundial de eficiência solar,
o design da célula solar do NREL ainda tem suas próprias desvantagens. Por um lado, produzir esse tipo
de célula ainda será caro neste momento, o que é um problema que já prejudica
a indústria de energia renovável em geral. Células de produção em massa com esse nível de eficiência
ainda podem estar muito distantes, e precisaríamos encontrar uma maneira de fazê-lo, mantendo
os custos gerais baixos o suficiente para não tirar os principais consumidores do mercado.
O projeto de favo de mel da Universidade de Surrey, por outro lado, parece direcionar esse problema
diretamente. Essas células usam menos silício em geral, o que se traduz em economia de custos no
processo de produção. Há muito potencial em como podemos usá-los também: mesmo quando texturizados, a
camada de filme ainda é superfina, o que os torna leves e versáteis o suficiente para ir praticamente a qualquer lugar!
O próximo passo é colocar o show na estrada, encontrando parceiros comerciais e desenvolvendo
técnicas de fabricação. Como você deve ter adivinhado, isso não é pouca coisa em si
e, por enquanto, esse design ainda está muito longe do mercado,
um destino infeliz para muitas tecnologias renováveis ​​promissoras em desenvolvimento.
Então, que tal as perovskitas, o farol brilhante da indústria solar e a criança problemática simultânea?
As células de perovskita estão finalmente no mercado agora, mas não estão nem perto de onde os fãs esperavam
que estivessem, e definitivamente ainda não superaram o obstáculo da comercialização
. Muito disso pode ser atribuído à sua natureza inconstante no campo.
As células solares de silício e perovskita bateram recordes acima de 25%
recentemente, então a energia em si não é necessariamente o problema: é a resistência.
Infelizmente, as células de perovskita em campo perdem 10% da eficiência de suas células após
alguns meses de uso. Quando você compara isso com células de silício – cujos fabricantes garantem
que os painéis manterão 80% de seu desempenho às vezes por 30 a 40 anos – isso é
um ato difícil de seguir. As células de perovskita precisam durar pelo menos 20 anos em campo para
atender às metas de 2030 do Escritório de Tecnologia de Energia Solar (SETO) do Departamento de Energia dos EUA de US$ 0,02/kWh.
A fabricação provavelmente será o grande obstáculo final para a comercialização de painéis solares de perovskita.
É um pouco complicado 22: precisamos de financiamento para ampliar a fabricação e desenvolver células
em grande escala, no entanto, o financiamento só estará disponível quando a ampliação parecer viável.
Aqui está a boa notícia: as perovskitas não precisam ofuscar as células de silício.
Você também pode usá-los em células tandem, onde uma camada de perovskita é empilhada no TOPO
de uma célula de silício. (Fale sobre o melhor dos dois mundos!) Os materiais absorvem
diferentes comprimentos de onda de luz, o que significa que você obtém uma colheita de energia complementar.
E as células orgânicas? A ideia em si ainda é bastante atraente. Esses tipos de células
poderiam usar sua natureza leve e flexível praticamente em qualquer lugar, desde telhados abobadados, vidro
e outras superfícies de formato estranho que não suportavam os painéis mais pesados ​​à base de silício.
Esses caras provavelmente não estarão alimentando seu bairro tão cedo, mas eles encontraram
seu próprio nicho especial: especificamente, dispositivos menores, incluindo wearables.
Por que os wearables são tão importantes? A maioria usa baterias de uso único que precisam ser
substituídas a cada 1-2 anos. Isso é um grande negócio para este segmento quando o mercado global de
sensores inteligentes deve atingir US$ 29,6 bilhões em 2026, de acordo com MarketsandMarkets. A tecnologia solar atual
ainda não é suficiente para essas aplicações menores,
já que o silício não funciona tão bem em ambientes fechados e as células de perovskita duram apenas alguns anos de cada vez.
É verdade que sua taxa de eficiência ainda é um pouco reduzida (pelo menos,
em comparação com suas outras contrapartes solares). Felizmente, mais estudos sobre quiralidade e
outras soluções de polímeros podem ajudar a aumentar essa taxa de eficiência a longo prazo,
tornando a “célula solar imprimível” um grampo na comunidade solar.
Embora provavelmente ainda estejamos a alguns anos de ver esses desenvolvimentos reconhecidamente legais
realmente fazerem ondas no mercado, é um sinal claro de onde as coisas estão indo. No entanto,
se você está considerando a energia solar para sua casa, não espere. Os painéis solares são
eficientes o suficiente hoje para atingir muitos dos objetivos que você provavelmente tem para sua casa.
Esperar pela próxima grande coisa garante que você sempre estará esperando... porque
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