O futuro brilhante da energia solar

Uma descrição detalhada e simples da operação de painéis solares e previsões para o futuro

Como beber chá no Tibete

Nossa recente revisão de painéis solares pode deixá-lo com a impressão de que coletar energia solar é uma coisa nova, mas as pessoas a exploram há milhares de anos. Com sua ajuda, aquecem casas, cozinham e aquecem água. Alguns dos primeiros documentos que descrevem a coleta de energia solar datam da Grécia antiga. O próprio Sócrates disse: "nas casas voltadas para o sul, o sol do inverno penetra na galeria, e no verão o caminho do sol passa sobre nossas cabeças e diretamente acima do telhado, o que faz com que uma sombra se forme". Ele descreve como a arquitetura grega usou a dependência dos caminhos solares das estações.

No século V aC Os gregos enfrentaram uma crise energética. O combustível predominante, o carvão, terminou quando derrubaram todas as florestas para cozinhar e aquecer casas. Foram introduzidas cotas de madeira e carvão, e os olivais tiveram que ser protegidos dos cidadãos. Os gregos abordaram a crise, planejando cuidadosamente o desenvolvimento urbano, para garantir que todas as casas possam tirar proveito do sol descrito por Sócrates. A combinação de tecnologia e reguladores esclarecidos funcionou, e a crise foi evitada.

Com o tempo, a tecnologia de coleta de energia térmica do sol só cresceu. Os colonos da Nova Inglaterra emprestaram a tecnologia de construção de casas dos gregos antigos para se aquecer nos invernos frios. Aquecedores solares de água passivos simples, não mais complicados que os barris pintados de preto, foram vendidos nos EUA no final do século XIX. Desde então, foram desenvolvidos coletores solares mais sofisticados que bombeiam água através de painéis que absorvem ou focalizam a luz. A água quente é armazenada em um tanque isolado. Em climas gelados, é usado um sistema de dois fluidos no qual o sol aquece uma mistura de água com anticongelante passando através de uma espiral em um tanque de armazenamento de água, que desempenha outro papel, o papel de um trocador de calor.


Coletores solares nos telhados de Chipre

Hoje, muitos sistemas comerciais sofisticados estão disponíveis para aquecer água e ar em uma casa. Os coletores solares são instalados em todo o mundo, e a maioria deles per capita está na Áustria, Chipre e Israel.


Coletor solar de telhado em Washington DC

A história moderna dos painéis solares começa em 1954, com a descoberta de uma maneira prática de extrair eletricidade da luz: os laboratórios da Bell descobriram que o material fotovoltaico pode ser feito de silício. Essa descoberta se tornou a base dos painéis solares de hoje (dispositivos que transformam luz em eletricidade) e lançou uma nova era de energia solar. Através de pesquisas intensivas, a era atual da energia solar continua e o sol pretende se tornar a principal fonte de energia no futuro.

O que é uma célula solar?

O tipo mais comum de célula solar é um dispositivo semicondutor de silício, um parente distante de um diodo de estado sólido. Os painéis solares são feitos de um conjunto de células solares conectadas entre si e criando uma corrente de saída com a tensão e força desejadas. Os elementos são cercados por uma caixa protetora e cobertos com vidro de janela.

As células solares geram eletricidade devido ao efeito fotovoltaico, que não foi descoberto nos laboratórios da Bell. Foi descoberta pela primeira vez em 1839 pelo físico francês Alexander Edmond Becquerel, filho do físico Antoine Cesar Becquerel e pai do físico Antoine Henri Becquerel, que recebeu o Prêmio Nobel e descobriu a radioatividade. Pouco mais de cem anos depois, foi alcançada uma inovação na fabricação de células solares no laboratório de Bella, que se tornou a base para a criação do tipo mais comum de células solares.

Na linguagem da física do estado sólido, uma célula solar é criada com base em uma junção pn em um cristal de silício. A transição é criada adicionando pequenas quantidades de defeitos diferentes a diferentes áreas do cristal; a interface entre essas áreas será a transição. No lado n, os elétrons carregam a corrente, e no lado p - orifícios onde os elétrons estão ausentes. Nas regiões adjacentes à interface, a difusão de carga cria um potencial interno. Quando um fóton com energia suficiente entra no cristal, ele pode nocautear um elétron de um átomo e criar um novo par de elétrons-orifícios.



Um elétron recém-liberado é atraído por buracos do outro lado da transição, mas devido ao seu potencial interno, ele não pode atravessá-lo. Mas se os elétrons receberem um caminho através de um circuito externo, eles o percorrerão e iluminarão nossas casas ao longo do caminho. Chegando ao outro lado, eles se recombinam com orifícios. Esse processo continua enquanto o sol está brilhando.

A energia necessária para liberar um elétron ligado é chamada de gap gap. Essa é a chave para entender por que as células fotovoltaicas têm uma limitação inerente à eficiência. A folga da banda é uma propriedade constante do cristal e de suas impurezas. As impurezas são reguladas de tal maneira que o intervalo de banda de uma célula solar se aproxima da energia do fóton do espectro visível. Essa escolha é ditada por considerações práticas, uma vez que a luz visível não é absorvida pela atmosfera (em outras palavras, como resultado da evolução, as pessoas adquiriram a capacidade de ver a luz com os comprimentos de onda mais comuns).

A energia do fóton é quantizada. Um fóton com uma energia menor que o intervalo da banda (por exemplo, da parte infravermelha do espectro) não pode criar uma transportadora de carga. Apenas aquece o painel. Dois fótons infravermelhos também não funcionarão, mesmo que sua energia total seja suficiente. Um fóton de energia excessivamente alta (por exemplo, da faixa ultravioleta) irá nocautear um elétron, mas o excesso de energia será desperdiçado.

Como a eficiência é definida como a quantidade de energia da luz incidente no painel dividida pela quantidade de eletricidade recebida - e como uma parte significativa dessa energia será perdida - a eficiência não pode atingir 100%.

O intervalo de banda de uma célula solar de silício é de 1,1 eV. Como pode ser visto no diagrama do espectro eletromagnético, o espectro visível está na região um pouco mais alto; portanto, qualquer luz visível nos dará eletricidade. Mas isso também significa que parte da energia de cada fóton absorvido é perdida e convertida em calor.



Como resultado, verifica-se que, mesmo com um painel solar ideal fabricado sob condições impecáveis, a eficiência máxima teórica será de cerca de 33%. Para painéis disponíveis comercialmente, a eficiência é geralmente de 20%.

Perovskitas

A maioria dos painéis solares instalados comercialmente é feita a partir das células de silício descritas acima. Mas laboratórios ao redor do mundo estão pesquisando outros materiais e tecnologias.

Uma das áreas mais promissoras dos últimos tempos é o estudo de materiais chamados perovskitas. O mineral perovskita , CaTiO ₃ , foi nomeado em 1839 em homenagem ao estadista russo Count L. A. Perovsky (1792-1856) , que colecionava minerais. O mineral pode ser encontrado em qualquer um dos continentes da Terra e nas nuvens de pelo menos um exoplaneta. Os perovskitas também são chamados de materiais sintéticos que possuem a mesma estrutura de cristal rômbico da perovskita natural e possuem uma estrutura química semelhante na estrutura.



Dependendo dos elementos, os perovskitas exibem várias propriedades úteis, como supercondutividade, magnetoresistência gigante e propriedades fotovoltaicas. Seu uso em células solares causou muito otimismo, já que sua eficácia em pesquisas de laboratório aumentou nos últimos 7 anos de 3,8% para 20,1%. O rápido progresso inspira confiança no futuro, principalmente porque as limitações de eficiência estão se tornando mais claras.

Em experimentos recentes em Los Alamos, foi demonstrado que as células solares de certas perovskitas são próximas em eficiência ao silício, sendo mais baratas e fáceis de fabricar. O segredo da atratividade dos perovskitas é a capacidade de crescer rápida e facilmente cristais do tamanho de milímetros sem defeitos em um filme fino. Esse é um tamanho muito grande para uma treliça de cristal ideal, que, por sua vez, permite que o elétron viaje através do cristal sem interferência. Essa qualidade compensa parcialmente o gap imperfeito de banda de 1,4 eV, comparado com um valor quase ideal para o silicone de 1,1 eV.

A maioria dos estudos que objetivam aumentar a eficiência das perovskitas está associada à busca de maneiras de eliminar defeitos nos cristais. O objetivo final é criar uma camada inteira para um elemento a partir de uma treliça de cristal ideal. Pesquisadores do MIT recentemente fizeram grandes progressos nessa questão. Eles descobriram como "curar" defeitos em um filme feito de uma perovskita específica, irradiando-o com luz. Este método é muito melhor que os métodos anteriores, incluindo banhos químicos ou corrente elétrica, devido à falta de contato com o filme.

Ainda não está claro se os perovskitas levarão a uma revolução no custo ou na eficácia dos painéis solares. Torná-los é fácil, mas até agora eles estão se separando muito rapidamente.

Muitos pesquisadores estão tentando resolver o problema da deterioração. Um estudo conjunto dos chineses e suíços levou a um novo método de formação de uma célula a partir de perovskita, eliminando a necessidade de movimentação de buracos. Como é a camada de condução do furo que se degrada, o material deve ser muito mais estável.


Células solares de perovskita à base de estanho

Um relatório recente do laboratório de Berkeley descreve como as perovskitas podem um dia atingir um limite teórico de eficiência de 31% e ainda permanecem mais baratas de fabricar do que o silício. Os pesquisadores mediram a eficiência de conversão de várias superfícies granulares usando microscopia atômica, que mede a fotocondutividade. Eles descobriram que faces diferentes têm eficiências muito diferentes. Agora, os pesquisadores acreditam que podem encontrar uma maneira de produzir um filme no qual apenas as faces mais eficazes serão conectadas aos eletrodos. Isso pode levar a célula a atingir uma eficiência de 31%. Se funcionar, será um avanço revolucionário na tecnologia.

Outras áreas de pesquisa

É possível fabricar painéis multicamadas, pois a folga da banda pode ser ajustada alterando os aditivos. Cada camada pode ser ajustada para um comprimento de onda específico. Teoricamente, essas células podem atingir 40% de eficiência, mas até agora permanecem caras. Como resultado, eles são mais fáceis de encontrar no satélite da NASA do que no telhado da casa.

Em um estudo de cientistas de Oxford e do Institute of Silicon Photovoltaic em Berlim, a multicamada foi combinada com perovskitas. Trabalhando no problema de degradabilidade do material, a equipe abriu a possibilidade de criar perovskita com uma folga de banda ajustável. Eles conseguiram criar uma versão da célula com uma largura de banda de 1,74 eV, o que é quase ideal para a fabricação emparelhada com uma camada de silício. Isso pode levar à criação de células baratas com uma eficiência de 30%.

Um grupo da Universidade de Notre Dame desenvolveu uma tinta fotovoltaica feita de nanopartículas de semicondutores. Este material ainda não é tão eficaz a ponto de substituir os painéis solares, mas é mais fácil de produzir. Entre as vantagens está a possibilidade de aplicação em diferentes superfícies. Em potencial, será mais fácil de usar do que painéis rígidos que precisam ser montados no telhado.

Alguns anos atrás, uma equipe do MIT fez progressos na criação de combustível solar térmico. Essa substância pode armazenar energia solar dentro de si mesma por um longo período de tempo e liberá-la sob demanda ao usar um catalisador ou aquecimento. O combustível consegue isso através de uma conversão não reativa de suas moléculas. Em resposta à radiação solar, as moléculas são convertidas em fotoisômeros: a fórmula química é a mesma, mas a forma está mudando. A energia solar é armazenada como energia adicional nas ligações intermoleculares do isômero, que podem ser representadas como um estado de energia mais alto da molécula original. Após iniciar a reação, as moléculas retornam ao seu estado original, transformando a energia armazenada em calor. O calor pode ser usado diretamente ou convertido em eletricidade. Essa ideia potencialmente elimina a necessidade de baterias. O combustível pode ser transportado e usar a energia recebida em outro lugar.

Após a publicação do trabalho do MIT, que utilizava o fulvalen diruthenium , alguns laboratórios tentam resolver problemas com a produção e o custo dos materiais e desenvolvem um sistema no qual o combustível será suficientemente estável em um estado carregado e capaz de "recarregar" para que possa ser usado repetidamente. Apenas dois anos atrás, os mesmos cientistas do MIT criaram combustível solar que poderia testar pelo menos 2.000 ciclos de carga / descarga sem degradação aparente do desempenho.

A inovação foi combinar combustível (era azobenzeno) com nanotubos de carbono. Como resultado, suas moléculas se alinharam de uma certa maneira. O combustível resultante teve uma eficiência de 14% e uma densidade de energia semelhante à de uma bateria de chumbo-ácido.


Nanopartículas de sulfeto de cobre-zinco-estanho

Em trabalhos mais recentes, o combustível solar era produzido na forma de filmes transparentes que podem ser bicar no pára-brisa de um carro. À noite, os filmes derretem o gelo devido à energia adquirida durante o dia. A velocidade do progresso nessa área não deixa dúvidas de que o combustível térmico solar será transferido em breve dos laboratórios para o campo de tecnologias familiares.

Outra maneira de criar combustível diretamente da luz solar (fotossíntese artificial) está sendo desenvolvida por pesquisadores da Universidade de Illinois em Chicago. Suas “folhas artificiais” usam a luz solar para transformar dióxido de carbono atmosférico em “gás de síntese”, uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono. Syngas pode ser queimado ou convertido em combustíveis mais convencionais. O processo ajuda a remover o excesso de CO ₂ da atmosfera.

A equipe de Stanford criou um protótipo de célula solar usando nanotubos de carbono e fulerenos em vez de silício. Sua eficácia é muito menor que os painéis comerciais, mas apenas o carbono é usado para criá-los. Não há materiais tóxicos no protótipo. É uma alternativa mais ecológica ao silício, mas precisa trabalhar com eficiência para obter benefícios econômicos.

A pesquisa continua em outros materiais e tecnologias de produção. Uma área promissora de pesquisa inclui monocamadas, materiais com uma única camada de espessura de molécula (como o grafeno). Embora a eficiência fotovoltaica absoluta desses materiais seja pequena, sua eficiência por unidade de massa excede em mil vezes os painéis de silício comuns.

Outros pesquisadores estão tentando fabricar células solares com uma faixa intermediária. A idéia é criar um material com uma nanoestrutura ou uma liga especial na qual os fótons possam trabalhar com energia insuficiente para superar o intervalo de banda usual. Nesse material, um par de fótons de baixa energia pode nocautear um elétron, o que não pode ser alcançado em dispositivos convencionais de estado sólido. Potencialmente, esses dispositivos serão mais eficientes, pois usam uma faixa maior de comprimentos de onda.

A variedade de áreas de pesquisa de elementos e materiais fotovoltaicos e o rápido progresso constante desde a invenção do elemento silício em 1954 inspiram confiança de que o entusiasmo pela adoção da energia solar não apenas continuará, mas aumentará.

E esses estudos acontecem bem a tempo. Em um meta-estudo recente, foi demonstrado que a energia solar ultrapassou o petróleo e o gás em termos da proporção de energia recebida em relação à energia consumida ou em eficiência energética. Este é um ponto de virada significativo.

Há pouca dúvida de que a energia solar, como resultado, se transformará em uma forma significativa, se não dominante, de energia, tanto na indústria quanto no setor privado. Espera-se que a redução na necessidade de queima de combustíveis fósseis aconteça antes que ocorram mudanças climáticas globais irreversíveis.