A maioria das células solares hoje é feita com silício refinado que transforma a luz do sol em eletricidade limpa. Infelizmente, o processo de refino de silício está longe de ser limpo, exigindo grandes quantidades de energia de usinas de emissão de carbono.
Para uma alternativa mais ecológica ao silício, os pesquisadores se concentraram em perovskitas de filme fino – células solares flexíveis e de baixo custo que podem ser produzidas com o mínimo de energia e praticamente nenhuma emissão de CO2.
Embora as células solares de perovskita sejam promissoras, desafios significativos precisam ser enfrentados antes que se tornem comuns, principalmente sua instabilidade inerente, que dificulta a fabricação em escala.
“A tecnologia solar de perovskita está em uma encruzilhada entre a comercialização e a cintilação”, disse o acadêmico de pós-doutorado da Universidade de Stanford, Nick Rolston. “Milhões de dólares estão sendo investidos em startups. Mas acredito fortemente que nos próximos três anos, se não houver um avanço que estenda a vida útil das células, esse dinheiro começará a secar.”
É por isso que um novo processo de fabricação de perovskita desenvolvido em Stanford é tão emocionante, disse Rolston. Em um novo estudo, publicado na edição de 25 de novembro da revista Joule, ele e seus colegas demonstram uma maneira ultrarrápida de produzir células de perovskita estáveis e montá-las em módulos solares que poderiam alimentar dispositivos, edifícios e até mesmo a rede elétrica.
“Este trabalho fornece um novo marco para a fabricação de perovskita”, disse o autor sênior do estudo Reinhold Dauskardt, o professor Ruth G. e William K. Bowes da Escola de Engenharia de Stanford. “Isso resolve algumas das barreiras mais formidáveis para a fabricação em escala de módulo com as quais a comunidade tem lidado há anos.”
Amostras do tamanho da unha
As células solares de perovskita são filmes finos de cristalino sintético, feitos de produtos químicos baratos e abundantes como iodo, carbono e chumbo.
As células de filme fino são leves, dobráveis e podem ser cultivadas em laboratórios ao ar livre em temperaturas próximas ao ponto de ebulição da água, muito longe dos fornos de 1.650 graus Celsius necessários para refinar o silício industrial.
Os cientistas desenvolveram células de perovskita que convertem 25% da luz do sol em eletricidade, uma eficiência de conversão comparável ao silício. Mas é improvável que essas células experimentais sejam instaladas em telhados tão cedo.
“A maior parte do trabalho feito em perovskitas envolve áreas realmente minúsculas de células solares ativas e utilizáveis. Elas são normalmente uma fração do tamanho da unha do dedo mínimo”, disse Rolston, que co-liderou o estudo com William Scheideler, um ex-bolsista de pós-doutorado em Stanford agora é professor assistente no Dartmouth College.
As tentativas de fazer células maiores produziram defeitos e orifícios que diminuem significativamente a eficiência celular. E, ao contrário das células de silício rígidas, que duram de 20 a 30 anos, a perovskita de película fina eventualmente se degrada quando exposta ao calor e à umidade.
“Você pode fazer um pequeno dispositivo de demonstração no laboratório”, disse Dauskardt. “Mas o processamento convencional de perovskita não é escalonável para uma fabricação rápida e eficiente.”
Para enfrentar o desafio da produção em grande escala, a equipe da Dauskardt implantou uma tecnologia patenteada recentemente inventada, chamada processamento de plasma por spray rápido.
Essa tecnologia usa um dispositivo robótico com dois bicos para produzir rapidamente filmes finos de perovskita. Um bico pulveriza uma solução líquida de precursores químicos de perovskita em um painel de vidro, enquanto o outro libera uma explosão de gás ionizado altamente reativo conhecido como plasma.
“O processamento convencional requer que você cozinhe a solução de perovskita por cerca de meia hora”, disse Rolston. “Nossa inovação é usar uma fonte de plasma de alta energia para converter rapidamente a perovskita líquida em uma célula solar de filme fino em uma única etapa.”
Usando o processamento de spray rápido, a equipe de Stanford foi capaz de produzir 12 metros de filme de perovskita por minuto – cerca de quatro vezes mais rápido do que o necessário para fabricar uma célula de silício.
“Alcançamos o maior rendimento de qualquer tecnologia solar”, disse Rolston. “Você pode imaginar grandes painéis de vidro colocados em rolos e continuamente produzindo camadas de perovskita em velocidades nunca alcançadas antes.”
Além de uma taxa de produção recorde, as células de perovskita recém-criadas alcançaram uma eficiência de conversão de energia de 18%.
“Queremos tornar esse processo o mais aplicável e amplamente útil possível”, disse Rolston. “Um sistema de tratamento de plasma pode parecer sofisticado, mas é algo que você pode comprar comercialmente por um custo muito razoável.”
A equipe de Stanford estimou que seus módulos de perovskita podem ser fabricados por cerca de 25 centavos por pé quadrado – muito menos do que os US$ 2,50 ou mais por 30cm quadrado necessários para produzir um módulo de silício típico.
Módulos Solares
As células solares de silício são normalmente conectadas em módulos encapsulados para aumentar sua produção de energia e resistir a condições climáticas adversas. Os fabricantes de perovskita terão que construir módulos estáveis e eficientes para serem comercialmente viáveis.
Para esse fim, a equipe de Stanford criou com sucesso módulos de perovskita que continuaram a operar com 15,5 por cento de eficiência, mesmo depois de serem deixados na prateleira por cinco meses.
Módulos de silício convencionais produzem eletricidade a um custo de cerca de 5 centavos por quilowatt-hora. Para competir com o silício, os módulos de perovskita teriam de ser encapsulados em uma camada à prova de intempéries que evitasse a entrada de umidade por pelo menos uma década. A equipe de pesquisa agora está explorando novas tecnologias de encapsulamento e outras maneiras de melhorar significativamente a durabilidade.
“Se pudermos construir um módulo de perovskita que dure 30 anos, poderemos reduzir o custo da eletricidade para menos de 2 centavos por quilowatt-hora”, disse Rolston. “Por esse preço, poderíamos usar perovskitas para produção de energia em escala de serviço público. Por exemplo, uma fazenda solar de 100 megawatts.”
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