Queridos colegas e amigos,
Um querido colega compartilha este artigo, escrito por Yvaine Ye, publicado em 21 de março de 2024 no boletim informativo CU Boulder Today da Universidade do Colorado (CU) em Boulder e traduzido por nós para este espaço. Vamos ver do que se trata...
O mundo da energia solar está pronto para uma revolução. Os cientistas estão correndo para desenvolver um novo tipo de célula solar usando materiais que podem converter eletricidade com mais eficiência do que os painéis atuais.
Em um artigo publicado em 26 de fevereiro na revista Nature Energy, um pesquisador da Universidade do Colorado (CU) em Boulder e seus colaboradores internacionais revelaram um método inovador para fabricar novas células solares, conhecidas como células de perovskita, uma conquista fundamental para a comercialização do que muitos consideram ser a próxima geração de tecnologia solar.
Hoje, quase todos os painéis solares são feitos de silício, o que é 22% eficiente. Isso significa que os painéis de silício só podem converter cerca de um quinto da energia solar em eletricidade porque o material absorve apenas uma proporção limitada dos comprimentos de onda da luz solar. A produção de silício também é cara e consome muita energia.
Apresentando a Perovskite
A célula de perovskita é parcialmente feita de material sintético que foi modelado com base na estrutura cristalina especial de um mineral chamado perovskita. Essa estrutura absorve a luz solar de uma forma diferente e mais eficiente do que as células de silício, o que significa que tem o potencial de converter consideravelmente mais energia solar a um custo de produção menor.
A perovskita sintética leva o nome do mineral homônimo, perovskita, que foi descoberto pela primeira vez em 1839 nos Montes Urais por Gustav Rose e nomeado em reconhecimento ao mineralogista russo L. A. Perovski (1792-1856).
E, de fato, esse novo material tem o mesmo tipo de estrutura cristalina do titanato de cálcio (CaTiO3), conhecido como estrutura de perovskita.
“As perovskitas podem ser um divisor de águas”, disse Michael McGehee, professor do Departamento de Engenharia Química e Biológica e membro do Instituto de Energia Renovável e Sustentável da UC em Boulder.
Cientistas têm testado células solares de perovskita empilhando-as sobre células de silício tradicionais para formar células em tandem. Colocar dois materiais em camadas, cada uma absorvendo uma parte diferente do espectro solar, pode potencialmente aumentar a eficiência dos painéis em mais de 50%.
“Ainda estamos vendo uma rápida eletrificação em todo o mundo, incluindo um maior número de carros movidos a eletricidade. Para retardar o avanço da mudança climática, esperamos aposentar mais usinas de carvão e, eventualmente, descartar usinas de gás natural”, disse McGehee. “Se acreditamos que teremos um futuro totalmente renovável, devemos planejar que os mercados eólico e solar se expandam pelo menos cinco a dez vezes em comparação com o que somos agora. ”
Para conseguir isso, disse ele, a indústria deve melhorar a eficiência das células solares.
Mas um grande desafio em fabricá-los a partir de perovskita em escala comercial é o processo de revestir o semicondutor nas placas de vidro que são os componentes básicos dos painéis. Atualmente, o processo de revestimento deve ser realizado em uma pequena caixa cheia de gás não reativo, como o nitrogênio, para evitar que as perovskitas reajam com o oxigênio, o que diminui seu desempenho.
“Isso é bom na fase de pesquisa, mas quando você começa a revestir grandes pedaços de vidro, fica cada vez mais difícil fazer isso em uma caixa cheia de nitrogênio”, disse McGehee.
McGehee e seus colaboradores encontraram uma maneira de evitar essa reação prejudicial com o ar. Eles descobriram que adicionar formiato de dimetilamônio, ou DMAFO, à solução de perovskita antes do revestimento poderia evitar que os materiais enferrujassem.
Essa descoberta permite que o revestimento ocorra fora da pequena caixa, no ar ambiente. Os experimentos demonstraram que as células de perovskita feitas com o aditivo DmaFo podem atingir uma eficiência de quase 25% sozinhas, comparável ao recorde atual de eficiência de células de perovskita de 26%.
O aditivo também melhorou a estabilidade celular.
Os painéis comerciais de silício normalmente podem manter pelo menos 80% de seu desempenho após 25 anos, perdendo cerca de 1% da eficiência por ano. As células de perovskita, no entanto, são mais reativas e se degradam mais rapidamente no ar. O novo estudo mostrou que a célula de perovskita feita com DMAFo manteve 90% de sua eficiência depois que os pesquisadores a expuseram à luz LED que imitava a luz solar por 700 horas. Em contraste, as células criadas no ar sem o DMAFO se degradaram rapidamente após apenas 300 horas.
Embora esse seja um resultado muito encorajador, apenas 8.000 horas de testes podem ser feitas em um ano, disse ele. Portanto, testes mais longos são necessários para determinar como essas células são mantidas ao longo do tempo.
“É muito cedo para dizer que eles são tão estáveis quanto os painéis de silício, mas estamos em um bom caminho nesse sentido”, disse McGehee.
O estudo aproxima as células solares de perovskita da comercialização. Ao mesmo tempo, a equipe McGehee está desenvolvendo ativamente células tandem com uma eficiência real superior a 30% e que têm a mesma vida útil dos painéis de silício. O objetivo é criar tandems que sejam mais eficientes do que os painéis de silício convencionais e igualmente estáveis por um período de 25 anos.
Com maior eficiência e preços potencialmente mais baixos, essas células tandem poderiam ter aplicações mais amplas do que os painéis de silício existentes, incluindo a possível instalação em tetos de veículos elétricos. Eles poderiam adicionar de 24 a 40 quilômetros de alcance por dia a um carro exposto ao sol, o suficiente para cobrir o trajeto diário de muitas pessoas. Drones e veleiros também podem funcionar com esses painéis.
Após uma década de pesquisas sobre perovskitas, os engenheiros construíram células de perovskita que são tão eficientes quanto as células de silício, que foram inventadas há 70 anos, disse McGehee. “Estamos levando as perovskitas até a linha de chegada. Se os tandems funcionarem bem, eles certamente têm o potencial de dominar o mercado e se tornar a próxima geração de células solares”, disse ele.
