Painéis solares de perovskita

Uma substância conhecida pelos cientistas há mais de cem anos, somente hoje, no início do século XXI, revelou-se um material muito promissor para a produção de células solares baratas e eficazes. O perovskita, ou titanato de cálcio, encontrado pela primeira vez na forma de mineral pelo geólogo alemão Gustav Rosa nas montanhas do Ural em 1839, e nomeado após o conde Lev Alekseevich Perovsky, um estadista glorioso e colecionador de minerais, o herói da Guerra Patriótica de 1812, acabou sendo o candidato mais adequado para o papel da alternativa ao silício na produção de células solares.

Como substância, até recentemente, o titanato de cálcio era amplamente utilizado apenas como dielétrico para capacitores de cerâmica multicamada. E agora eles estão tentando aplicá-lo para construir painéis solares altamente eficientes, uma vez que este material absorve perfeitamente a luz.

Comum, longo tradicional painéis solares de silício a uma espessura de 180 mícrons, eles absorvem tanta luz quanto a perovskita absorve a uma espessura de apenas 1 mícron. A perovskita, assim como o silício, é um semicondutor e transfere a carga elétrica da mesma maneira sob a influência da luz, mas o espectro da luz convertida em eletricidade na perovskita é mais amplo que o do silício.

A estrutura da substância cristalina do titanato de cálcio é idêntica à estrutura do mineral perovskita, portanto, seu nome é o mesmo. E é essa substância que está hoje em um dos principais lugares no ranking dos caminhos de otimização da energia solar.

O fato é que os painéis solares à base de silício custam hoje em média 75 centavos de dólar por 1 kW, e os painéis solares à base de perovskita reduzirão seu custo para 10-15 centavos de dólar por 1 kW, ou seja, a tecnologia solar perovskita em 5-7 vezes mais barato que o silício, tanto na produção de baterias quanto em sua operação, e a quantidade de eletricidade produzida é a mesma.

E isso apesar do fato de os analistas do setor de energia afirmarem que, a um custo de 50 centavos por 1 kW, a energia solar está se tornando competitiva com os combustíveis fósseis. Ou seja, a transição para a perovskita em escala global reduzirá o custo da produção de eletricidade às vezes, enquanto o processo de produção dos próprios painéis será muito simples.

Estudos para avaliar e melhorar a eficiência das células solares à base de perovskita estão sendo realizados em muitos países: na Austrália, Martin Green, na Suíça, Michael Gretzel, nos EUA, Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Day e Coréia, Sok Sang Il. Os pesquisadores declaram por unanimidade o baixo custo e a alta eficiência da tecnologia promissora.

Michael Gretzel argumenta que sua eficiência de 15% pode ser facilmente aumentada para 25%, e as células solares baratas das disponíveis atualmente não atingem 15%. Pela primeira vez, em 2009, quando eles estavam apenas conversando sobre as possibilidades de usar perovskita para energia solar, foi obtida uma eficiência de 3,5%, e as células tiveram vida curta, uma vez que o eletrólito líquido dissolveu a perovskita e, assim que os cientistas tiveram tempo de medir, a bateria parou de funcionar.

No entanto, após três anos, o eletrólito líquido foi substituído por um sólido, e as células se tornaram mais estáveis, e a eficiência dobrou primeiro e depois dobrou novamente. Várias camadas de substrato eletricamente condutoras, uma das quais coberta com um pigmento, resolveram o problema e abriram a perspectiva. Os passos para melhorar a eficiência não param até hoje, os cientistas usam, entre outras coisas, métodos de otimização padrão que serviram para melhorar os precursores de silício.

Michael Gretzel tem certeza de que 25% de eficiência levará a uma revolução na energia solar.Um professor da Austrália, Martin Green, um dos pioneiros em pesquisas, afirma que as baterias sem silício são tão simples de fabricar e eficientes para operar que há definitivamente confiança de que o futuro dos painéis solares em Perovskite é brilhante, porque estimativas preliminares já prevêem uma enorme redução de preço - 7 vezes.

Um grupo de pesquisadores da Coréia, liderado por Sok Sang Il, desenvolveu sua própria fórmula misturando brometo de amônio chumbo com iodeto de formamidina de chumbo, os cientistas alcançaram uma estrutura de perovskita que estabeleceu uma eficiência recorde de 17,9%. O uso da mistura permitirá a impressão de células solares e seu custo será reduzido ainda mais. O problema permanece - o material se dissolve na água, além disso, o tamanho das células nos testes não excede 10 mm², então a pesquisa continua.

O processo de fabricação de células solares de perovskita parece bastante simples para os pesquisadores. O líquido é simplesmente pulverizado na superfície ou aplicado na forma de vapor, o que é muito simples de realizar tecnologicamente. Várias camadas de materiais são aplicadas à folha de metal ou vidro, uma das quais é a perovskita.

Outros materiais são necessários aqui para facilitar o movimento de elétrons dentro do elemento. O processo de fabricação está próximo do ideal. O físico da Universidade de Oxford Henry Saint, que trabalha no desenvolvimento de células de perovskita nos Estados Unidos, está confiante de que as camadas do painel solar serão aplicadas tão facilmente quanto com uma tinta comum em uma superfície.

Apesar das perspectivas emergentes, os cientistas foram divididos em dois campos. Os primeiros defendem a melhoria das baterias de silício que já se tornaram tradicionais, enquanto os outros defendem a criação de baterias completamente novas e mais eficientes. Portanto, Martin Green acredita que a perovskita pode ser usada como um complemento para as baterias de silício combinando silício com perovskita e, assim, reduzindo o custo de um watt de eletricidade produzido sem perdas significativas para a indústria de silício. Michael Gretzel, pelo contrário, está convencido de que novos desenvolvimentos são importantes, e o custo de aumentar a eficiência de novas fotocélulas será recompensado muitas vezes.

Muitas empresas já estão trabalhando na implementação comercial do produto, porque, apesar do fato de que as possibilidades de perovskita estão apenas começando a ser percebidas, os principais especialistas no campo da energia solar já voltaram sua atenção para o futuro. As empresas australianas e turcas juntas abordaram ativamente a comercialização de painéis solares de perovskita e, de acordo com as previsões, até 2018 elas serão apresentadas no mercado mundial.

Apesar do otimismo de algumas empresas, a experiência mostra que normalmente leva dez anos para uma nova tecnologia ir do laboratório ao mercado e, durante esse período, as baterias de silício podem ultrapassar a perovskita. A Gretzel, a propósito, está vendendo uma licença para novas tecnologias para empresas que pretendem seguir a maneira tradicional de silício.

A concorrência no mercado de energia solar também é alta e todos os novos participantes são confrontados com ela. O custo dos painéis de silício é reduzido e, segundo alguns analistas, pode cair para 25 centavos por 1 kW, o que priva completamente os benefícios da tecnologia perovskita.

A presença de uma pequena quantidade de chumbo no pigmento, que é tóxico, permanece um problema. Estão surgindo estudos experimentais que revelarão a perovskita tóxica. Vale a pena prestar atenção ao descarte de baterias usadas, como é o caso das baterias de carros de partida. Mas, em princípio, o estanho ou algo semelhante pode ser usado em vez do chumbo.

Enquanto isso, pesquisadores de Ohio, liderados por Leaming Dai, começaram a eletrificar carros elétricos usando painéis solares de perovskita. Eles desenvolveram a combinação mais benéfica de painéis solares com baterias de carros elétricos do que nunca.

Ao conectar quatro baterias de perovskita a uma bateria de lítio, os cientistas alcançaram uma eficiência de 7,8% na configuração mais eficiente até o momento, que superou as soluções anteriores para combinar células solares com supercapacitores e baterias.

Os painéis multicamadas aumentaram a densidade e a estabilidade da energia recebida do sol. Testes mostraram que três camadas de perovskita são transformadas, se desejado, em um filme. Com uma área de célula única não superior a 10 mm2, os pesquisadores alcançaram uma eficiência de 12,65% de um conversor de tamanho de moeda, mas, levando em consideração a conversão e o armazenamento de energia, a eficiência foi de 7,8% no modo cíclico.

Esses sistemas, de acordo com os desenvolvedores, poderão, no futuro, não apenas carregar carros elétricos, mas também serão instalados na forma de um filme flexível nos corpos. A tecnologia parece ideal para veículos elétricos.

Notável é a capacidade de reemissão da perovskita. Um cientista da Universidade de Cambridge, Felix Deschler, descobriu que a perovskita tem uma propriedade única. Quando a luz entra no material, a energia do fóton não é apenas convertida em eletricidade, parte da carga é convertida novamente em fótons.

Se o painel puder reutilizar esses fótons, a energia coletada se tornará ainda maior. O grupo de Deshler conduziu um experimento no qual o feixe de laser foi concentrado em uma seção de perovskita de 0,5 mícron de espessura e a luz foi reemitida em outro local da amostra. O silício, por exemplo, não tem a capacidade de transferir energia para dentro de si e novamente emitir.

Assim, as perspectivas para a perovskita são enormes e, quem sabe, pode ser exatamente na mesma época em que todas as casas e carros serão equipados com baterias de perovskita, uma vez que se tornará economicamente inútil e desaconselhável poluir o meio ambiente com produtos de combustão de combustíveis fósseis.