Energia solar, a terceira maior fonte de energia renovável depois da energia hidrelétrica e eólica, surgiu como uma alternativa limpa, sustentável e poderosa aos combustíveis fósseis. A luz solar que atinge a Terra é mais de 10.000 vezes o uso total de energia do mundo, e as tecnologias para colher a maior quantidade possível de energia solar estão surgindo rapidamente. Desde os primeiros painéis solares comerciais de silício (Si) criados pelos Laboratórios Bell em 1954, as tecnologias mais comuns atualmente usam diferentes formas de células solares baseadas em Si e convertem até 20% da luz solar em eletricidade.
De acordo com a análise de mercado da AIE, a geração de energia solar fotovoltaica (PV) – o processo de conversão da luz solar em eletricidade – atingiu 720 TWh em 2019, de 585 TWh em 2018, e espera-se que cresça até 1.940 TWh em 2025. A capacidade global máxima actual da energia solar é de 592 GW, contribuindo 2,2% para a produção global de electricidade.
- Quais são os materiais inovadores actuais e futuros?
- Silício cristalino
- Thin Films
- Células solares perovskite
- Quais são as tecnologias inovadoras de células solares integrativas?
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Quais são os materiais inovadores actuais e futuros?
Uma célula solar típica consiste em materiais semicondutores como o silício tipo p- e n com uma junção em camadas p-n ligada a um circuito externo. A iluminação solar nos painéis provoca a projecção de electrões a partir do silício. Os elétrons ejetados sob um campo elétrico interno criam um fluxo através da junção p-n e do circuito externo, resultando em uma corrente (eletricidade). Com um mercado em rápido crescimento e o desenvolvimento de aplicações criativas, R&D sobre materiais inovadores de energia solar está no seu auge para alcançar a máxima eficiência solar-elétrica a baixo custo. Três tipos de materiais semicondutores altamente investigados de hoje são o Si cristalino, filmes finos e a próxima geração de células solares perovskite (PSCs).
Silício cristalino
Silício cristalino (c-Si) é o material semicondutor mais utilizado em painéis solares, ocupando mais de 90% do mercado global de PV, embora a eficiência esteja significativamente abaixo do limite teórico (~30%). Estão a surgir células solares feitas de materiais alternativos de baixo custo e de alta eficiência.
O Laboratório Nacional de Energias Renováveis (NREL) está a impulsionar o desenvolvimento de células solares fotovoltaicas cristalinas de alta eficiência, que incluem materiais multijunções III-V (com eficiência alvo de >30%) e células solares híbridas tandem III-V/Si. As suas células solares III-V de seis funções atingiram uma eficiência de 47,1% sob luz concentrada. Além disso, a tecnologia bifacial baseada em Si pode colher energia solar de ambos os lados do painel, com 11% a mais de eficiência em relação aos painéis padrão.
Thin Films
Second-generation thin-film solar cells are appearing as one of the most promising PV technologies due their narrow design (350 times smaller light-absorbing layers compared to standard Si-panels), light weight, flexibility, and ease of installation. Tipicamente, são utilizados quatro tipos de materiais na sua construção: cádmio-telloreto (CdTe), silício amorfo, cobre-indium-gálio-selenieto (CIGS), e gálio-arsenieto (GaAs). Enquanto o CdTe tem uma preocupação de toxicidade devido ao cádmio, as células solares CIGS estão se tornando as mais promissoras opções de alta eficiência e econômicas para instalações residenciais e comerciais, com eficiência de até 21%.
Ascent Solar é um dos principais players na fabricação de módulos CIGS de alto desempenho, com sua tecnologia CIGS superleve e extrema sendo utilizada nos setores espacial, aeroespacial, governamental e público.
Células solares perovskite
entre as células solares da próxima geração, as células solares híbridas de halogeneto metálico perovskite (PSCs) ganharam muita atenção devido ao seu baixo preço, design mais fino, processamento a baixa temperatura e excelentes propriedades de absorção de luz (bom desempenho sob luz baixa e difusa). Os PSCs podem ser flexíveis, leves e semitransparentes. Notavelmente, os filmes finos perovskite também podem ser impressos, levando à fabricação escalável de alta produtividade, e um recente PSC impresso rolo a rolo atingiu uma eficiência de 12,2%, a maior entre os PSCs impressos.
Notavelmente, os materiais combinados perovskite e Si-PV mostraram uma eficiência recorde de até 28% sob condições de laboratório, como demonstrado pela Oxford PV. Embora a estabilidade e durabilidade tenham permanecido uma grande preocupação, um recente sistema de encapsulamento em pilha de vidro polímero de baixo custo permitiu que os PSCs suportassem as condições operacionais padrão. Embora os PSCs ainda não sejam comercializados, eles possuem vantagens econômicas e de eficiência significativas para impulsionar o futuro do mercado de energia solar.
Quais são as tecnologias inovadoras de células solares integrativas?
Parte de materiais inovadores, também estão surgindo métodos criativos de colheita da energia solar máxima. Por exemplo, a Insolight, empresa suíça em fase de arranque, está a utilizar lentes integradas como reforçadores ópticos no vidro de protecção dos painéis para concentrar os feixes de luz em 200 vezes, atingindo uma eficiência de 30%.
Outro desenvolvimento recente é o desenho de protótipos de dispositivos fotovoltaicos termoradiativos, ou painéis solares inversos, que podem gerar eletricidade à noite utilizando o calor irradiado dos painéis para o espaço profundo opticamente acoplado, que serve como um dissipador de calor.
Interessantemente, juntamente com materiais inovadores, outras aplicações integrativas além das instalações padrão em telhados também estão subindo e estão atualmente em sua infância. Por exemplo, a destilação solar pode colher energia solar enquanto utiliza o calor dissipado dos painéis para purificar a água, se houver um acessório integrado de destilação por membrana.
Outra tecnologia transformadora do futuro poderia ser as tintas solares, que incluem a tinta solar hidrogênio (gera energia a partir da divisão de água fotovoltaica), pontos quânticos (tinta fotovoltaica), e tintas à base de perovskite.
Outras vezes, as janelas solares transparentes são aplicações altamente inovadoras, e a Energia Ubíqua alcançou uma eficiência de conversão solar-elétrica de 10% com seus materiais transparentes. Uma demonstração da Michigan State University, pioneira nesta tecnologia, pode ser vista neste vídeo:
Com o rápido desenvolvimento de materiais semicondutores de baixo custo e alto desempenho, filmes finos com economia de espaço e tecnologias fáceis de instalar, espera-se que o mercado de energia solar se desenvolva nos próximos cinco anos. Apesar do revés causado pela pandemia, a redução de custos prevista de 15% a 35% até 2024 para instalações solares é encorajadora e pode tornar esta energia renovável mais acessível.