Uma tecnologia fotovoltaica baseada em Bill Gates que pode ser o futuro da energia solar

Uma tecnologia fotovoltaica baseada em Bill Gates que pode ser o futuro da energia solar

Em 1839, o cientista alemão Gustav Rose foi fazer prospecção nos Montes Urais e descobriu um mineral escuro e brilhante. Ele chamou o titanato de cálcio de “perovskita” em homenagem ao mineralogista russo Lev Perovski. O mineral foi um dos muitos que Rose identificou para a ciência, mas quase dois séculos depois, os materiais que compartilham a estrutura cristalina da perovskita podem transformar a energia sustentável e a corrida contra as mudanças climáticas, aumentando significativamente a eficiência dos painéis solares comerciais.

Os painéis solares representaram quase 5% da produção de energia dos EUA no ano passado, quase 11 vezes mais do que há 10 anos e o suficiente para abastecer cerca de 25 milhões de residências. Também é a fonte de energia nova que mais cresce, respondendo por 50% de toda a nova geração de eletricidade adicionada em 2022. Mas quase todos os módulos solares usados ​​na geração de energia hoje consistem em painéis convencionais à base de silício fabricados na China, uma tecnologia que mudou pouco desde que as células de silício foram descobertas na década de 1950.

Outros materiais usados, como arsenieto de gálio, seleneto de cobre, índio e gálio e telureto de cádmio – este último uma chave para a maior empresa de energia solar dos EUA, a First Solarde crescimento — pode ser muito caro ou tóxico. Os defensores das células solares baseadas em perovskita dizem que podem superar o silício em pelo menos duas maneiras e acelerar os esforços na corrida para combater as mudanças climáticas. Ainda nesta semana, a First Solar anunciou a aquisição da Evolar, empresa europeia de tecnologia de perovskita .

Os limites de silício das células solares

As células fotovoltaicas convertem os fótons da luz solar em eletricidade. Mas nem todos os fótons são iguais. Eles têm diferentes quantidades de energia e correspondem a diferentes comprimentos de onda no espectro solar. Células feitas de perovskitas, que se referem a vários materiais com estruturas cristalinas semelhantes às do mineral, têm um coeficiente de absorção mais alto, o que significa que podem captar uma gama mais ampla de energias de fótons no espectro da luz solar para fornecer mais energia. Enquanto as células de silício comerciais padrão têm eficiência de cerca de 21%, as células de perovskita de laboratório têm eficiência de até 25,7% para aquelas baseadas apenas em perovskita e até 31,25%para aqueles que são combinados com silício em uma chamada célula tandem. Enquanto isso, mesmo com o aumento da eficiência do silício, as células de junção única enfrentam uma barreira de eficiência máxima teórica de 29%, conhecida como limite de Shockley-Queisser; seu limite prático é tão baixo quanto 24%.

Além disso, as células de perovskita podem ser mais sustentáveis ​​de produzir do que o silício. Calor intenso e grandes quantidades de energia são necessários para remover as impurezas do silício, e isso produz muitas emissões de carbono. Também tem que ser relativamente grosso para funcionar. As células de perovskita são muito finas – menos de 1 micrômetro – e podem ser pintadas ou pulverizadas em superfícies, tornando-as relativamente baratas de produzir. Uma análise da Universidade de Stanford em 2020 de um método de produção experimental estimou que os módulos de perovskita poderiam ser produzidos por apenas 25 centavos de dólar por pé quadrado, em comparação com cerca de US$ 2,50 para o equivalente de silício.  

“As indústrias estabelecerão linhas de produção em fábricas para comercialização de suas células solares antes de 2025”, diz Tsutomu Miyasaka, professor de engenharia da Universidade Toin de Yokohama, que relatou a criação da primeira célula solar de perovskita em 2009. “Não apenas para uso em energia solar externa painéis, mas também dispositivos de energia IoT internos, que serão um grande mercado para dispositivos fotovoltaicos de perovskita porque podem funcionar mesmo sob iluminação fraca”.

Apoiando a tecnologia climática de última geração

Empresas de todo o mundo estão começando a comercializar painéis de perovskita. A CubicPV, com sede em Massachusetts e Texas, desenvolve módulos em tandem desde 2019, e seus patrocinadores incluem a Breakthrough Energy Ventures de Bill Gates. A empresa diz que seus módulos são formados por uma camada inferior de silício e uma camada superior de perovskita e sua eficiência chegará a 30%. Sua vantagem, de acordo com o CEO Frank van Mierlo, é a química de perovskita da empresa e seu método de fabricação de baixo custo para a camada de silício que torna a abordagem tandem econômica.

No mês passado, o Departamento de Energia anunciou que CubicPV será o principal participante da indústria em um novo centro de pesquisa do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que aproveitará a automação e a IA para otimizar a produção de painéis tandem. Enquanto isso, a CubicPV está decidida sobre a localização de uma nova fábrica de pastilhas de silício de 10 GW nos EUA, um movimento que, segundo ela, acelerará o desenvolvimento em conjunto.

“Tandem extrai mais energia do sol, tornando cada instalação solar mais poderosa e acelerando a capacidade do mundo de conter os piores impactos das mudanças climáticas”, disse Van Mierlo. “Acreditamos que, na próxima década, toda a indústria mudará para tandem.”

Na Europa, a Oxford PV também está planejando começar a fabricar módulos tandem. Um spinoff da Universidade de Oxford, afirma uma eficiência de 28% para tandems e diz que está desenvolvendo uma célula multicamada com 37% de eficiência. A empresa está construindo uma fábrica de células solares em Brandemburgo, na Alemanha, mas foi adiada pela pandemia de coronavírus e por problemas na cadeia de suprimentos. Ainda assim, a startup, fundada em 2010 e apoiada pela empresa de energia norueguesa  Equinor, a fabricante chinesa de turbinas eólicas Goldwind e o Banco Europeu de Investimentos esperam poder iniciar os embarques este ano, dependendo da certificação regulatória. A tecnologia inicialmente teria um preço mais alto do que as células de silício convencionais porque o tandem oferece maior densidade de energia, mas a empresa diz que a economia é favorável durante toda a vida útil de uso.

Muitos iniciantes em energia solar ao longo dos anos tentaram quebrar a participação de mercado da China e dos painéis de silício convencionais, como o notoriamente agora falido Solyndra, que usava seleneto de cobre, índio e gálio. A abordagem de filme fino de telureto de cádmio da First Solar sobreviveu a um abalo solar de uma década por causa de seu equilíbrio entre baixo custo em relação ao silício cristalino e eficiência. Mas agora também vê as células em tandem como uma chave para o futuro da indústria solar.

“A perovskita é um material disruptivo sem interromper o modelo de negócios – a capacidade arraigada de fabricar com base no silício”, diz Oxford PV CTO Chris Case. “Nosso produto será melhor na produção de energia de baixo custo do que qualquer tecnologia solar concorrente.”

A Caelux, um spinoff do Instituto de Tecnologia da Califórnia, também está focada na comercialização de células em tandem. Apoiado pelo VC Vinod Khosla e pelo conglomerado indiano de energia, telecomunicações e varejo Reliance Industries, a Caelux deseja trabalhar com empresas de módulos de silício existentes adicionando uma camada de vidro de perovskita aos módulos convencionais para aumentar a eficiência em 30% ou mais.

Dúvidas sobre desempenho fora do laboratório

As perovskitas enfrentam desafios em termos de custo, durabilidade e impacto ambiental antes de poderem entrar no mercado. Uma das versões de melhor desempenho são as perovskitas de haleto de chumbo, mas os pesquisadores estão tentando formular outras composições para evitar a toxicidade do chumbo.

Martin Green, pesquisador de células solares da Universidade de New South Wales, na Austrália, acredita que as células tandem baseadas em silício serão o próximo grande passo em frente na tecnologia solar. Mas ele adverte que eles não são conhecidos por funcionar bem o suficiente fora do laboratório. Os materiais de perovskita podem se degradar quando expostos à umidade, um problema com o qual os pesquisadores reivindicaram algum sucesso.

“A grande questão é se as células tandem de perovskita/silício algum dia terão a estabilidade necessária para serem comercialmente viáveis”, disse Green, que dirige o Centro Australiano de Fotovoltaica Avançada. “Embora tenha havido progresso desde que as primeiras células de perovskita foram relatadas, os únicos dados de campo publicados para essas células em tandem com eficiência competitiva sugerem que elas sobreviveriam apenas alguns meses ao ar livre, mesmo quando cuidadosamente encapsuladas”.

Em um teste de campo recente, as células em tandem foram testadas por mais de um ano na Arábia Saudita e retiveram mais de 80% de uma eficiência de conversão inicial de 21,6%. De sua parte, a Oxford PV diz que suas células solares são projetadas para atender à expectativa de vida útil padrão de 25 a 30 anos quando montadas em módulos fotovoltaicos padrão. Ele diz que seus módulos tandem de demonstração passaram nos principais testes de estresse acelerados da indústria para prever a vida útil dos módulos solares.

Experimentos de perovskita em construção no Japão

No Japão, grandes extensões planas de terra que podem abrigar megaprojetos solares são difíceis de encontrar devido ao terreno montanhoso do arquipélago. Essa é uma das razões pelas quais as empresas estão desenvolvendo painéis de perovskita finos e versáteis para uso em paredes e outras partes de edifícios. No início deste ano, a Sekisui Chemical e a NTT Data instalaram células de perovskita no exterior de edifícios em Tóquio e Osaka para testar seu desempenho ao longo de um ano. A fabricante de eletrônicos Panasonic, por sua vez, criou uma impressora a jato de tinta que pode produzir células de perovskita de película fina em vários tamanhos, formas e opacidades, o que significa que podem ser usadas em vidros comuns instalados em janelas, paredes, varandas e outras superfícies.

“A geração e o consumo de energia no local serão muito benéficos para a sociedade”, diz Yukihiro Kaneko, gerente geral do Centro de Tecnologia de Materiais Aplicados da Panasonic. “Para o Japão atingir sua meta de descarbonização, você precisaria construir 1.300 megaprojetos solares do tamanho de um estádio todos os anos. É por isso que achamos que é melhor colocar energia solar em janelas e paredes.”

Exibida na CES 2023, a célula de perovskita de 30 cm quadrados da Panasonic tem uma eficiência de 17,9%, a mais alta do mundo, de acordo com um ranking do US National Renewable Energy Laboratory. O fabricante espera obter um impulso de regulamentos como um requisito anunciado recentemente de que todos os novos projetos habitacionais em Tóquio tenham painéis solares a partir de 2025. A Panasonic diz que pretende comercializar suas células de perovskita nos próximos cinco anos.

O inventor da célula de perovskita, Miyasaka, acredita que a geração de energia baseada em perovskita representará mais da metade do mercado de células solares em 2030, não pela substituição do silício, mas por meio de novas aplicações, como a construção de paredes e janelas.

“O rápido progresso na eficiência de conversão de energia foi um resultado surpreendente e verdadeiramente inesperado para mim”, disse Miyasaka. “Em suma, esta será uma grande contribuição para a realização de uma sociedade sustentável autossuficiente.”

Fonte: cnbc