Como um Novo Tipo De Célula Solar Pode Aumentar a Eficiência e Reduzir o Custo da Geração de Energia Solar
Prof. Aécio D’Silva, Ph.D
AquaUniversity
Células Solares de Perovskita-Silício – A energia solar é uma das fontes mais abundantes e limpas de energia renovável, mas ainda enfrenta alguns desafios, como baixa eficiência, alto custo e intermitência. Para superar estes desafios, investigadores e empresas estão a desenvolver um novo tipo de célula solar que combina dois materiais diferentes: perovskita e silício. Essas células solares em tandem de perovskita-silício têm o potencial de fornecer mais energia, usar menos espaço e reduzir o impacto ambiental da geração de energia solar.
O que são células solares juntas de perovskita-silício?
As células solares em tandem (juntas) de perovskita-silício são compostas por duas camadas de materiais fotovoltaicos: uma camada de perovskita no topo de uma camada de silício. As perovskitas são uma classe de materiais que possuem uma estrutura cristalina semelhante à do óxido de cálcio e titânio (CaTiO3) e podem ser feitas de elementos baratos e abundantes, como chumbo, iodo e carbono. O silício é o material mais utilizado para células solares, pois possui alta estabilidade, durabilidade e compatibilidade com a infraestrutura existente.
A vantagem de combinar perovskita e silício é que eles podem absorver diferentes comprimentos de onda da luz solar com mais eficiência do que qualquer um dos materiais sozinho. As perovskitas têm um intervalo de banda mais amplo, o que significa que podem absorver mais luz visível, enquanto o silício tem um intervalo de banda mais estreito, o que significa que pode absorver mais luz infravermelha. Ao empilhá-los juntos, a célula solar tandem pode colher mais energia do espectro solar e, assim, aumentar a eficiência de conversão de energia (PCE), que é a relação entre a produção de energia elétrica e a entrada de energia solar.
De acordo com o limite de Shockley-Queisser, o PCE máximo teórico de uma célula solar de junção única é de 33,7%, mas a célula solar tandem pode exceder esse limite usando duas ou mais junções. O recorde atual de PCE para uma célula solar tandem de perovskita-silício é de 33,9%, alcançado pela Oxford PV, uma empresa sediada no Reino Unido que está comercializando esta tecnologia. (1). Alguns pesquisadores projetam que o PCE das células solares em tandem de perovskita-silício poderá atingir até 45% no futuro. (2).
O limite de Shockley-Queisser é a eficiência teórica máxima de uma célula solar convencional usando uma única junção pn, onde o único mecanismo de perda é a recombinação radiativa na célula solar. Foi calculado pela primeira vez por William Shockley e Hans-Joachim Queisser em 1961, dando uma eficiência máxima de 30% a 1,1 eV. No entanto, cálculos mais recentes dão uma eficiência máxima de 33,7% a 1,34 eV, utilizando um espectro solar mais realista e um espelho de superfície posterior.
O limite é um dos conceitos mais fundamentais e importantes na pesquisa e desenvolvimento de energia solar. (3)
Quais são os benefícios das células solares tandem de perovskita-silício?
As células solares tandem de perovskita-silício têm vários benefícios em relação às células solares convencionais de silício, tais como:
- Maior densidade de energia: Como a célula solar tandem pode produzir mais energia na mesma área, ela pode reduzir o uso do solo e o custo de instalação da geração de energia solar, especialmente em áreas urbanas lotadas ou locais industriais onde o espaço é limitado.
- Custo nivelado mais baixo de eletricidade (LCOE): LCOE é o custo médio de produção de uma unidade de eletricidade durante a vida útil de uma usina, considerando os custos de capital, operação, manutenção e combustível. O LCOE da energia solar depende do PCE, do investimento inicial e da taxa de degradação da célula solar. Ao aumentar o PCE e reduzir a taxa de degradação, a célula solar tandem pode reduzir o LCOE da energia solar e torná-la mais competitiva com outras fontes de energia.
- Impacto ambiental reduzido: A célula solar tandem pode reduzir o impacto ambiental da geração de energia solar usando menos matérias-primas, energia e água e emitindo menos gases de efeito estufa e resíduos tóxicos. Por exemplo, as perovskitas podem ser sintetizadas a baixas temperaturas e depositadas por métodos baseados em solução, o que pode economizar energia e água em comparação com os métodos de alta temperatura e baseados em vácuo usados para o silício. Além disso, as perovskitas podem ser recicladas e reutilizadas, o que pode reduzir a geração e descarte de resíduos. (4)
Quais são os desafios das células solares tandem de perovskita-silício?
Apesar do potencial promissor das células solares tandem de perovskita-silício, elas também enfrentam alguns desafios que precisam ser enfrentados antes que possam ser amplamente adotadas, tais como:
- Estabilidade: As perovskitas são sensíveis à umidade, ao calor e à luz, o que pode causar degradação de sua estrutura, desempenho e estabilidade. Para evitar isso, as perovskitas precisam ser protegidas por camadas de encapsulamento e passivação, o que pode aumentar a complexidade e o custo da célula solar tandem. Além disso, a incompatibilidade dos coeficientes de expansão térmica entre a perovskita e o silício pode causar estresse mecânico e rachaduras na célula solar tandem, especialmente sob condições variáveis de temperatura.
- Escalabilidade: As células solares em tandem de perovskita-silício exigem controle preciso da espessura, composição e alinhamento das camadas de perovskita e silício, o que pode ser um desafio para alcançar em grandes escalas e altas velocidades. Além disso, a integração da célula solar tandem com os processos e equipamentos existentes de fabricação de células solares de silício pode representar barreiras técnicas e econômicas, como problemas de compatibilidade, confiabilidade e padronização.
- Toxicidade: As perovskitas contêm chumbo, que é um elemento tóxico e perigoso que pode representar riscos à saúde e ao meio ambiente se vazar ou derramar durante a produção, uso ou descarte da célula solar tandem. Para mitigar isso, pesquisadores e empresas estão desenvolvendo materiais de perovskita sem chumbo ou com baixo teor de chumbo, como perovskitas híbridas à base de estanho, à base de germânio ou orgânicas-inorgânicas, que podem reduzir a toxicidade e melhorar a estabilidade da célula solar em tandem. . (5)
Quais são as perspectivas das células solares tandem de perovskita-silício?
As células solares tandem de perovskita-silício são uma tecnologia emergente que pode aumentar a eficiência e reduzir o custo da geração de energia solar, contribuindo assim para a transição para um futuro energético sustentável e limpo. No entanto, também precisam de superar alguns desafios técnicos e comerciais, tais como estabilidade, escalabilidade e toxicidade, antes de poderem ser amplamente implantados e aceites. Para conseguir isso, são necessárias mais pesquisas e desenvolvimento para melhorar a compreensão da física e da química da célula solar em tandem, bem como para otimizar o projeto e a fabricação da célula solar em tandem. Além disso, a colaboração e a comunicação entre investigadores, indústria, decisores políticos e consumidores são necessárias para abordar os aspectos regulamentares, éticos e sociais da célula solar tandem. (6)
As células solares tandem de perovskita-silício não são um material milagroso que pode mudar o mundo da noite para o dia, mas são uma tecnologia promissora que pode fazer a diferença no longo prazo.
Referências:
(1) https://www.nature.com/articles/d41586-023-03714-y
(2) https://link.springer.com/article/10.1007/s43630-023-00500-7
(3) https://solaredition.com/shockley-queisser-limit-theoretical-maximum-solar-cell-efficiency
(4) https://www.ise.fraunhofer.de/en/press-media/press-releases/2022/advancing-perovskite-silicon-tandem-solar-cell-and-module-technology.html
(5) https://www.ise.fraunhofer.de/en/business-areas/photovoltaics/perovskite-and-organic-photovoltaics/perovskite-silicon-tandem-photovoltaics.html
(6) https://www.sciencedaily.com/releases/2023/08/230822111648.htm
