5 painéis solares incomuns do futuro

Hoje painéis solares de silício - longe do final no caminho para conter a energia da luz solar e sua conversão em energia elétrica útil. Muitos trabalhos ainda estão sendo realizados pelos cientistas, e neste artigo consideraremos cinco soluções incomuns que alguns dos pesquisadores modernos estão desenvolvendo.

O Laboratório Nacional Americano de Energia Renovável (NREL) é construído uma bateria solar baseada em cristais semicondutores, cujos tamanhos não excedem vários nanômetros, esses são os chamados pontos quânticos. A amostra já é campeã em termos de eficiência quântica externa e interna, que totalizaram 114% e 130%, respectivamente.

Essas características mostram a razão do número de pares de elétrons-buraco gerados para o número de fótons incidentes na amostra (eficiência quântica externa) e a proporção do número de elétrons gerados para o número de fótons absorvidos (eficiência quântica interna) para uma determinada frequência.

A eficiência quântica externa é menor que a interna, pois nem todos os fótons absorvidos participam da geração, e alguns dos fótons incidentes no painel são simplesmente refletidos.

A amostra consiste nas seguintes partes: um vidro em um revestimento antirreflexo, uma camada de um condutor transparente, depois camadas nanoestruturadas de óxido de zinco e pontos quânticos de seleneto de chumbo, depois etanoditiol e hidrazina e uma fina camada de ouro como eletrodo superior.

A eficiência total de uma célula desse tipo é de cerca de 4,5%, mas isso é suficiente para a eficiência quântica bastante alta obtida experimentalmente dessa combinação de materiais, o que significa que a otimização e a melhoria estão à frente.

Nenhuma célula solar mostrou uma eficiência quântica externa acima de 100%, enquanto a singularidade desse desenvolvimento NREL reside no fato de que cada fóton que cai na bateria cria mais de um par de elétrons-orifícios na saída.

A razão do sucesso foi a geração múltipla de excitons (MEG), um efeito que foi usado pela primeira vez para criar uma bateria solar completa capaz de gerar eletricidade. A intensidade do efeito está associada aos parâmetros do material, ao gap da banda no semicondutor e à energia do fóton incidente.

O tamanho do cristal é crucial, pois é dentro de um pequeno volume que os pontos quânticos limitam os portadores de carga e podem coletar energia em excesso; caso contrário, essa energia seria simplesmente perdida na forma de calor.

O laboratório acredita que os elementos baseados no efeito MEG são candidatos muito dignos ao título de uma nova geração de painéis solares.

Outra abordagem incomum para criar células solares foi sugerida por Prashant Kamat, da Universidade de Notre Dame. Seu grupo desenvolveu uma tinta à base de pontos quânticos de dióxido de titânio revestidos com sulfeto de cádmio e seleneto de cádmio na forma de uma mistura água-álcool.

A pasta foi aplicada a uma placa de vidro com uma camada condutora e depois queimada, e o resultado foi bateria fotovoltaica. Um substrato convertido em um painel fotovoltaico precisa apenas de um eletrodo na parte superior e é possível obter uma corrente elétrica colocando-a ao sol.

Os cientistas acreditam que no futuro será possível criar tinta para carros e casas e, assim, transformar, digamos, o teto de uma casa, ou a carroceria do carro pintada com essa tinta especial, em painéis solares. Este é o principal objetivo dos pesquisadores.

Embora a eficiência não seja alta, apenas 1%, 15 vezes menor que os painéis de silício convencionais, a tinta solar pode ser produzida em grandes volumes e com baixo custo.Assim, as necessidades de energia no futuro podem ser satisfeitas, dizem os químicos do grupo Kamat, que chamam seus filhos "Acreditável pelo Sol", que se traduz como "provável solar".

Próximo incomum método de conversão de energia solar oferta no Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Andreas Mershin e colegas criaram baterias experimentais baseadas em um complexo de moléculas biológicas capazes de "coletar" luz.

O fotossistema PS-1, emprestado da cianobactéria Thermosynechococcus elongatus, foi proposto pelo biólogo molecular Shuguan Zhang e várias de suas pessoas com a mesma opinião 8 anos antes do início dos experimentos atuais, Andreas Mershin.

A eficiência dos sistemas acabou sendo de apenas 0,1%, mas este já é um passo importante no caminho para a introdução em massa na vida cotidiana, porque os custos de criação desses dispositivos são extremamente baixos e, em geral, os proprietários biológicos podem criar suas próprias baterias usando um conjunto de produtos químicos e uma pilha de grama recém-cortada . Enquanto isso, várias melhorias aumentarão a eficiência para 1-2%, ou seja, a um nível comercialmente viável.

Células semelhantes anteriores com fotossistemas só podiam operar razoavelmente sob luz laser concentrada estritamente na célula, e somente em uma faixa estreita de comprimento de onda. Além disso, eram necessários produtos químicos caros e condições laboratoriais.

Outro problema era que os complexos moleculares extraídos das plantas não podiam existir por muito tempo. Agora, a equipe do instituto desenvolveu um conjunto de peptídeos de superfície ativa que envolvem o sistema e o retêm por um longo tempo.

Ao aumentar a eficiência da coleta de luz, a equipe do Instituto de Tecnologia de Massachusetts resolveu o problema de proteger os fotossistemas da radiação ultravioleta, que anteriormente danificava o fotossistema.

O PS-1 agora foi semeado não em um substrato liso, mas em uma superfície com uma área efetiva muito grande, eram tubos de dióxido de titânio com 3,8 μm de espessura com poros de 60 nm e hastes densas de óxido de zinco com vários micrômetros de altura e várias centenas de nanômetros de diâmetro .

Essas variantes do fotoanodo permitiram aumentar o número de moléculas de clorofila sob luz e protegeram os complexos PS-1 dos raios ultravioletas, uma vez que ambos os materiais os absorvem bem. Além disso, tubos de titânio e hastes de zinco também desempenham o papel de uma estrutura e atuam como portadores de elétrons, enquanto o PS-1 coleta luz, assimila-a e separa as cargas, como acontece nas células vivas.

Uma célula exposta ao sol produzia uma voltagem de 0,5 volts com uma potência específica de 81 microW por centímetro quadrado e uma densidade de fotocorrente de 362 μA por centímetro quadrado, 10 vezes maior que qualquer outro sistema biovoltaico conhecido anteriormente com base em fotossistemas naturais.

Agora vamos falar sobre células solares à base de polímeros orgânicos. Se estabelecerem a produção em massa, serão muito mais baratos que os concorrentes de silício, apesar de já terem alcançado uma eficiência de 10,9%. Bateria solar em polímero em tandem, criado por uma equipe de cientistas da Universidade da Califórnia, em Los Angeles (UCLA), possui várias camadas, cada uma das quais trabalha com sua própria parte do espectro.

Uma combinação bem-sucedida de diferentes substâncias que não interferem entre si ao trabalharem juntas é o ponto mais importante. Por esse motivo, os autores desenvolveram especialmente polímeros conjugados com uma folga de banda baixa.

Em 2011, os cientistas conseguiram obter uma célula polimérica de camada única com uma eficiência de 6%, enquanto a célula tandem mostrou uma eficiência de 8,62%. Trabalhando ainda mais, os pesquisadores decidiram expandir o alcance do espectro de trabalho na região do infravermelho e tiveram que adicionar o polímero da empresa japonesa Sumitomo Chemical, graças à qual conseguiram alcançar uma eficiência de 10,9%.

Esse projeto de maior sucesso consiste em uma célula frontal feita de um material com uma folga de banda grande e uma célula traseira com uma folga de banda estreita.Os autores do desenvolvimento argumentam que a criação desse conversor, incluindo o custo dos materiais, não é muito cara; além disso, a própria tecnologia é compatível com os painéis solares de película fina fabricados atualmente.

Parece que nos próximos anos as células solares baseadas em polímeros orgânicos se tornarão comercialmente viáveis, porque os desenvolvedores planejam aumentar sua eficiência para 15%, ou seja, para o nível de silício.

Completando a revisão painéis solares super finos com uma espessura de 1,9 mícrons10 vezes mais fino que qualquer outra bateria de filme fino criada anteriormente. Juntos, cientistas japoneses e austríacos criaram um painel solar orgânico fino e incomumente flexível. Na demonstração, o produto foi enrolado em um cabelo humano com um diâmetro de 70 μm.

Utilizaram-se materiais tradicionais para fabricar a bateria, mas o substrato foi fabricado com 1,4 mícrons de tereftalato de polietileno. Com uma eficiência de 4,2%, a potência específica da nova bateria solar era de 10 watts por grama, o que geralmente é 1000 vezes maior que o indicador correspondente para baterias de silício multicristalino.

Nesse sentido, parece promissor o desenvolvimento de áreas como “têxteis inteligentes” e “pele inteligente”, onde, além dos painéis solares, os microcircuitos eletrônicos criados usando tecnologia semelhante podem ser igualmente finos e flexíveis.

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