Conheça o mineral que pode representar o futuro da energia solar

*The Economist 

Costuma ser dito, e é verdade, que a luz do Sol que incide sobre a Terra em uma hora é suficiente para atender às necessidades globais de energia de um ano. 

Parte dessa luz solar é atualmente convertida em eletricidade por conjuntos de painéis solares: até o final de 2023, esses painéis cobriam quase 10 mil quilômetros quadrados da superfície da Terra, produzindo cerca de 1,6 mil terawatts-hora de eletricidade, ou cerca de 6% da energia gerada em todo o mundo.

A quantidade de capacidade solar instalada no mundo tem dobrado a cada três anos, aproximadamente. Isso está acontecendo porque as células solares à base de silício usadas nos painéis estão ficando mais baratas com a intensa concorrência entre empresas da China, que, com o apoio do Estado, passaram a dominar o setor. Ao mesmo tempo, os pesquisadores descobriram maneiras de tornar as células melhores para absorver a energia da luz solar. 

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Os painéis solares modernos operam com taxas de eficiência de 22% a 24% - um grande aumento em relação aos 6% alcançados quando as primeiras células solares que poderiam ser usadas na prática foram inventadas, na década de 1950, nos Laboratórios Bell, em Nova Jersey. E eram tão caras que alimentavam principalmente satélites.

No entanto, a maioria dos processos tem seus limites. A eficiência teórica máxima de uma célula solar de silício - a quantidade de energia da luz solar que é transformada em eletricidade - é de cerca de 29%. E isso só é possível em condições de laboratório. Quando as células são agrupadas em painéis solares, é improvável que a eficiência total do painel ultrapasse 26%. Isso ocorre em parte porque os espaços entre as células e outras partes do painel, como a estrutura, não contribuem para a produção de eletricidade. Também há perdas inevitáveis de energia nos fios que conectam as células.

No entanto, o futuro da energia solar pode estar em um novo tipo de célula solar, mais eficiente, que acaba de entrar em produção. Fabricadas com uma família de materiais cristalinos chamados perovskitas, elas são capazes de fornecer painéis com taxas de eficiência prática bem acima de 30%.

Pulando a lacuna

As células solares tradicionais geralmente contêm duas camadas de silício ultrapuro, que recebem um aditivo para torná-las semicondutoras (ou seja, terem a capacidade de funcionar como condutor ou isolante). 

À medida que absorvem a luz, os elétrons recebem energia suficiente para atravessar a junção entre as camadas, produzindo uma corrente elétrica. Embora outros semicondutores possam fazer o mesmo, nenhum rivaliza com o preço acessível do silício, que é produzido a baixo custo a partir da areia.

A perovskita original é um mineral chamado titanato de cálcio. Ele foi descoberto em 1839 e recebeu o nome do conde Lev Perovski, um mineralogista russo. Desde então, o nome se tornou um termo genérico para substâncias com uma estrutura cristalina semelhante. 

Um dos aspectos que torna as perovskitas tão atraentes para os pesquisadores como alternativa ao silício é que, além de serem eficientes na absorção da energia da luz solar, elas também podem ser fabricadas de forma barata a partir de materiais de fácil obtenção, incluindo vários metais e halogênios, como cloro, bromo e iodo.

Embora seus superpoderes de absorção de luz sejam conhecidos há algum tempo, eles têm sido difíceis de aproveitar, principalmente porque as perovskitas se degradam rapidamente e podem ser suscetíveis à umidade. Portanto, os pesquisadores estão procurando maneiras de torná-las mais estáveis e adaptar os processos de fabricação para proteger as células.

Um líder no desenvolvimento de painéis de perovskita é a Oxford pv, uma empresa britânica. A empresa desenvolveu “células em tandem”, que consistem em uma fina camada de perovskita colocada em um leito de silício. A ideia é que os dois materiais, trabalhando juntos, possam extrair uma quantidade maior de energia da luz solar do que cada um individualmente. 

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Para isso, a camada de perovskita é ajustada para absorver a luz da extremidade azul do espectro, enquanto a camada de silício absorve os comprimentos de onda da extremidade vermelha, diz Chris Case, diretor de tecnologia da empresa.

A empresa abriu uma fábrica na Alemanha que acaba de começar a fornecer painéis solares comerciais de células em tandem para seu primeiro cliente, uma empresa de serviços públicos não identificada nos Estados Unidos. Os painéis estão sendo instalados, juntamente com unidades de silício convencionais, em uma nova fazenda solar conectada à rede. Isso proporcionará às perovskitas seu primeiro grande teste nessa escala, não apenas em termos de eficiência, mas também de durabilidade e longevidade. Como se espera que os painéis de silício continuem funcionando por 20 a 25 anos, os de perovskita devem demonstrar uma vida útil semelhante.

Os primeiros painéis de produção têm uma eficiência média de 24,5%, acrescenta Case. Uma nova geração em desenvolvimento atingiu 26,9%, e espera-se que esse valor aumente para mais de 30% à medida que as pesquisas continuarem. O limite teórico de eficiência de uma célula de perovskita em tandem em um laboratório é de cerca de 43% (em comparação com os 29% do silício), mesmo que seja improvável que esse valor seja alcançado quando ela for integrada em um painel.

Outras empresas também estão perto de comercializar suas versões de painéis solares de perovskita sobre silício. A Hanwha, um grande grupo industrial sul-coreano, investiu 137 bilhões de won (US$ 102 milhões) em uma fábrica para produzir células em tandem para sua linha de painéis solares qCells. Em escala de laboratório, a empresa afirma que as células individuais alcançaram uma eficiência máxima de 29,3%.

O recorde mundial atual para uma célula em tandem de perovskita em laboratório é de 34,6%. Esse recorde foi registrado em junho pela Longi Green Energy Technology, um grande fabricante chinês. Ela começou a trabalhar na produção em massa das células em outubro de 2023. A empresa diz que também alcançou 30,1% de eficiência em um protótipo de painel de tamanho comercial, embora ainda não tenha anunciado quando a produção será iniciada.