O luminar ganancioso: por que a energia solar não conquistou o mundo e como o “mineral russo” pode salvá-lo

A energia solar é uma daquelas áreas em que as boas intenções da humanidade quase sempre estão à frente das capacidades técnicas e das realidades econômicas. O criador do primeiro painel solar, o inventor americano Charles Frits, previu em 1881 que, em breve, usinas de energia comuns seriam substituídas por usinas solares. E isso apesar do fato de a instalação que ele criou ter uma eficiência de apenas 1%, ou seja, exatamente a quantidade de luz solar transformada em eletricidade. Depois de 140 anos, o sonho de Charles Fritts nunca se tornou realidade: a energia solar ainda luta por um lugar ao sol com moinhos de vento, geradores, fontes geotérmicas e minerais. O que atrasa a revolução solar e quais métodos estão tentando melhorar os painéis solares?

Parece que, tendo inventado a energia solar, estendemos um fio invisível para o reator mais poderoso do nosso sistema planetário, que não sairá por pelo menos mais cinco bilhões de anos (e pensaremos sobre isso). Mas levou a humanidade quase um século para aumentar a eficiência do painel solar em apenas cinco pontos percentuais - isso aconteceu quando cientistas do Bell Labs criaram uma bateria mais poderosa em 1954.

No entanto, o progresso em energia solar nos últimos anos tem sido impressionante. Eles investem mais nele do que em qualquer outra fonte de energia renovável (RES). Ao mesmo tempo, o custo médio da “eletricidade solar” desde 2010 diminuiu de US $ 0,371 para US $ 0,085 por kWh.


Nos últimos anos, os investimentos em energia solar estagnaram. Fonte: Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA), Escola de Frankfurt-UNEP Center / BNEF

E, no entanto, a energia solar ainda não conquistou o mundo. Até a Alemanha, que no primeiro semestre de 2019 gerou mais energia em energia renovável do que em carvão e átomo, não tem pressa em se separar das capacidades de carvão marrom. Até 2030, está planejado reduzi-los dos atuais 45 GW para 37 GW. Ao mesmo tempo, o sucesso econômico da energia solar ainda é amplamente garantido por políticas e subsídios tributários. Isso explica um paradoxo: os preços no atacado de eletricidade na Alemanha estão entre os mais baixos da Europa e os finais estão entre os mais altos.

Por que a energia solar ainda precisa de "muletas financeiras"? Os motivos são os seguintes:

• a energia solar não é a mais eficiente - o fator de utilização da capacidade instalada (KIUM), ou seja, a proporção de energia realmente gerada em relação à energia projetada definida pelo fabricante para painéis solares, é de 13 a 18% no inverno e de 30 a 35% no verão, que é o mais baixo entre outros FER, bem como gás e carvão;
• daí o custo mais alto da energia solar - a média mundial é de US $ 0,085 por kWh, enquanto na bioenergia - US $ 0,062, para fontes geotérmicas - US $ 0,072, usinas hidrelétricas - US $ 0,047; apenas o concorrente mais próximo é mais caro - parques eólicos distantes do mar com um indicador de US $ 0,127, embora os offshore forneçam energia a US $ 0,056 por kWh;
• a instabilidade da chegada de fótons da luminária nos obriga a usar dispositivos adicionais para o acúmulo e distribuição de energia (a propósito, falamos sobre uma solução para esse problema);
• o sistema de energia solar precisa de muito espaço, seja uma estação enorme no campo (e o terreno próximo às cidades é caro) ou uma instalação elétrica residencial, na qual você precisa não apenas conectar o inversor e a bateria, mas também fornecer acesso para manutenção.

Para resolver esses problemas, você precisa tornar os painéis solares mais baratos, mais eficientes e - no sentido literal da palavra - flexíveis.

Ditado de Silício

Os painéis solares consistem em um material que captura bem a energia da luz. Normalmente, esse material é ensanduichado entre placas de metal que transportam energia presa pela corrente. Nesse mesmo painel solar de 1954, produzido pelos engenheiros da Bell Labs, o silício teve um papel importante. Com muitas modificações, ainda domina a produção de células solares para células solares, constituindo a base de 95% dos painéis.

Por meio século, a humanidade desenvolveu vários tipos de células solares de silício. A maior fatia do mercado mundial é ocupada por painéis de silício policristalino. Eles estão em demanda devido à disponibilidade relativa, devido à tecnologia de produção mais barata. Mas a eficiência desses painéis é menor que a dos análogos (14-17%, máximo - 22%). Uma opção mais cara, mas também mais eficaz, são os painéis de silício monocristalino. Sua eficiência é de cerca de 22% (máximo - 27%).


Quais tecnologias para a produção de painéis solares dominam o mundo. Como você pode ver, os módulos solares policristalinos (61%) são produzidos principalmente, mono (32%) em menor grau e muito poucos filmes finos (amorfos) - 5%. Fonte: Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar; PSE Conferences & Consulting GmbH

Apesar do progresso na economia e na tecnologia dos painéis solares, seu custo permanece alto. A ele devem ser adicionados os custos de criação da usina real (controlador, inversor, bateria), sem a qual a bateria não funciona. Em diferentes países, esses valores flutuam, mas a parcela de despesas, de fato, na unidade fotovoltaica ainda é alta.


Em que consiste o custo de um "quilowatt solar" em diferentes países? Como você pode ver, nos países líderes da introdução de energia solar de um terço a quase metade dos custos é o custo do módulo. Fonte: Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA)

Não é silicone único

Na tentativa de desenvolver painéis mais eficientes, foram criados módulos de filme fino (amorfo). Sua essência é simples: o material de captura de luz é aplicado em uma camada muito fina ao filme, tornando o painel mais fácil e flexível, e sua produção requer menos materiais.

É verdade que sua eficiência é muito menor do que a de seus colegas na loja solar - de 6 a 8% para as opções de silício. No entanto, as células solares de filme fino ganham o seu custo porque exigem uma camada de substância que retém a luz com uma largura de apenas 2 a 8 mícrons, o que representa apenas cerca de 1% do que é usado nos módulos cristalinos convencionais.

Mas os painéis de filme fino não são ideais: devido à sua baixa eficiência, eles exigem aproximadamente 2,5 vezes mais espaço. Isso levou os cientistas a continuar procurando materiais mais eficazes, que por um lado são adequados para a tecnologia de filmes e, por outro, serão mais eficazes. Foi assim que os painéis apareceram, com base em compostos mais exóticos: telureto de cádmio (CdTe) e seleneto de índio-cobre-gálio (CIGS). Esses elementos têm maior eficiência - no primeiro caso, o indicador chega a 22% e no segundo - 21%. Esses sistemas perdem menos eficiência com o aumento da temperatura e funcionam melhor em más condições de iluminação. No entanto, seu custo é maior que os análogos de silício devido à raridade dos materiais utilizados. Alguns cientistas até acreditam que esses painéis nunca dominam o mercado, porque não terão recursos naturais suficientes. Portanto, esse tipo de painel solar se tornou um produto de nicho adequado para fins específicos de um círculo restrito de consumidores. Na maioria das vezes, os painéis de filme fino são usados ​​por consumidores com uma grande quantidade de espaço: empresas de manufatura, edifícios de escritórios, universidades e centros de pesquisa, grandes edifícios de apartamentos (com um teto espaçoso), bem como, de fato, fazendas solares - grandes usinas de energia. As economias de escala e a relativa facilidade de instalação dos painéis de filme fino mais fortes e leves ajudam a nivelar sua eficiência relativamente mais baixa (em comparação com o silício cristalino). Enquanto isso, a busca pelo "coletor" ideal de fótons continua.

Olá do conde russo

Um candidato ao papel de um possível salvador da energia solar pode ser um material chamado perovskita. O primeiro deles, titanato de cálcio, foi encontrado em 1839 pelo alemão Gustav Rosa nas profundezas dos minérios Urais e o nomeou pelo nome do colecionador de rochas russo Count L. A. Perovsky, motivo pelo qual ele é chamado de "mineral russo".

Hoje, quando se fala em perovskita, na maioria das vezes eles significam toda uma classe de substâncias que possuem a mesma estrutura cristalina em três partes, detectada pela primeira vez no titanato de cálcio. Embora na forma pura essas substâncias raramente sejam encontradas na natureza, elas são facilmente obtidas da massa de outros compostos e os cristais de perovskita podem ser cultivados artificialmente. Cada parte da estrutura de perovskita pode ser composta de vários elementos, o que fornece uma ampla variedade de composições possíveis do "coletor de fótons", incluindo chumbo, bário, lantânio e outros elementos. Portanto, já foi estabelecido que a combinação de perovskita com alguns metais alcalinos permite a criação de uma fotocélula solar com eficiência de até 22%, e o poder teórico dos compostos à base de perovskita chega a 31%.

No entanto, trabalhar com perovskita não é tão simples, e nós da Toshiba estávamos convencidos disso. Após a aplicação no filme, a perovskita cristaliza muito rapidamente, o que dificulta a criação de uma camada uniforme em uma grande área. Enquanto isso, esta é a principal tarefa ao criar uma célula solar: atingir a maior área de superfície possível, mantendo alta eficiência de conversão de energia.

Em junho de 2018, a Toshiba produziu uma célula solar à base de perovskita de película fina com a maior área de superfície e a maior eficiência de conversão de energia do mundo. Como você conseguiu fazer isso?

Dividimos os ingredientes necessários para a formação de perovskita (solução de iodeto de chumbo - PbI₂, hidroiodeto de metil amônio - MAI). Primeiro, revestimos o substrato com uma solução de PbI e, em seguida, com uma solução de MAI. Graças a isso, conseguimos ajustar a taxa de crescimento de cristais no filme, o que possibilitou a criação de uma camada uniforme e fina de grande área.


Tecnologia de fabricação de módulos solares baseados em perovskita. De fato, criamos “tinta” a partir dos elementos constituintes da perovskita e os “manchamos” no substrato. Fonte: Toshiba

Economia de Perovskita

Embora seja muito cedo para falar sobre indicadores econômicos específicos do uso de perovskita, uma vez que o amplo uso prático desse material em painéis solares está previsto para 2025, o "mineral russo" tem os pré-requisitos para um futuro grande e bem-sucedido. De acordo com especialistas do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), a produção de painéis de perovskita será dez vezes mais barata que a de contrapartes de silício. Também porque, para a fabricação das células solares de silício predominantes, é necessário o processamento do material a uma temperatura superior a 1.400 graus e, consequentemente, equipamentos complexos. Enquanto isso, os perovskitas podem ser controlados em uma solução líquida a uma temperatura de 100 graus em equipamentos simples (como em nosso experimento).


O módulo baseado em perovskita que criamos tem uma área de 703 metros quadrados. E a eficiência de conversão de energia que alcançamos atingiu 12%. Fonte: Toshiba

Existem outras duas vantagens das fotocélulas de perovskita - flexibilidade e transparência. Graças a eles, os painéis solares de perovskita podem ser instalados em vários lugares: nas paredes, nos telhados de veículos e edifícios, nas janelas e até nas roupas.

Ajustando a espessura da camada de perovskita, é possível controlar a transparência das células solares com base nesse material. Por exemplo, ele pode ser usado na cobertura de estufas : as plantas receberão a quantidade certa de fótons e parte deles será fornecida pela rede elétrica da fazenda. Experimentos para determinar a proporção razoável consumida por plantas e painéis de luz já estão sendo realizados no Japão.

Outro campo de aplicação possível é equipar carros elétricos com painéis solares baseados em perovskita. Enquanto estamos no começo desse caminho, mas já existem primeiras conquistas. Assim, cientistas da Western Reserve University de Cayes (Ohio, EUA) experimentaram o uso de pequenos painéis solares à base de perovskita para recarregar baterias de veículos elétricos. Eles conectaram quatro células solares à base de perovskita a baterias de lítio. Quando conectada para carregar pequenas baterias de íons de lítio do tamanho de uma moeda, a equipe de cientistas alcançou uma eficiência de conversão de 7,8%, o que é metade do que as células solares convencionais de película fina.

Também é possível que em breve fitas dos painéis solares perovskite decorem sua camisa ou jaqueta . Já se sabe sobre a aplicação da perovskita em um substrato de poliuretano, cuja eficiência na absorção do sol atingiu 5,72%.

E na Rússia, eles foram ainda mais longe em experimentos com perovskita. Como se viu, esse material pode ser um bom emissor e é adequado para gerar luz. Cientistas do Instituto de Aço e Ligas de Moscou (MISiS) e da Universidade de Tecnologia da Informação, Mecânica e Ótica de São Petersburgo desenvolveram uma célula solar baseada em perovskita que pode funcionar simultaneamente como bateria e como LED . A base é perovskita de halogênio. Para alternar funções, basta alterar a tensão fornecida ao dispositivo: em um nível de até 1,0 V, o protótipo funciona como uma célula solar e, se mais de 2,0 V forem fornecidos, o modo LED será ativado. No futuro, os cientistas poderão desenvolver filmes de vidro que gerarão energia durante o dia e emitirão luz no escuro. Nesse caso, a espessura máxima do filme não excede 3 mícrons, o que preservará a transparência do vidro. Ou seja, não estará escuro.


Em quase todos os aspectos, a perovskita é superior aos seus concorrentes, incluindo o custo médio de eletricidade ao longo da vida de uma célula solar de um determinado material (Custo nivelado de energia, LCOE). As dificuldades são possíveis apenas com o descarte de painéis obsoletos devido à toxicidade dos compostos de perovskita. Fonte: Grupo de Engenharia Molecular de Materiais Funcionais (GMF), Suíça

Economias de escala

Portanto, a perovskita pode ajudar a promover a energia solar, não apenas por sua acessibilidade econômica, mas também por seu escopo muito mais amplo: além da indústria, urbana e agricultura, os painéis à base de perovskita podem ser usados ​​mesmo na vida cotidiana, principalmente na produção de carros, pequenos eletrônicos, eletrodomésticos e até roupas. E quanto maior a variedade de aplicações, maior a capacidade do mercado, o que atrairá novos investidores e reduzirá o custo da eletricidade solar.