Os módulos solares em tandem silício-perovskita da Oxford PV visam superar os melhores painéis do mercado.
Em uma fábrica nos arredores de Brandenburg em der Havel, na Alemanha, eles estão fabricando o futuro. Os quadrados finos e brilhantes que estão montando em módulos planos prometem superar os melhores painéis solares do mercado.
A fábrica piloto é de propriedade da Oxford PV - uma spinout da Universidade de Oxford, na Inglaterra - que desde 2012 trabalha na comercialização de células solares feitas de um tipo de cristal conhecido como perovskita.
As primeiras células solares de perovskita foram anunciadas há apenas 10 anos pela equipe de pesquisa de Tsutomu Miyasaka da Universidade Toin, em Yokohama, no Japão. Mas esses primeiros protótipos de laboratório eram incrivelmente instáveis e tinham uma eficiência de apenas 3,8%.
Desde então, pesquisadores e fabricantes obtiveram ganhos expressivos em eficiência, e também abordaram a estabilidade e a escalabilidade dos dispositivos.
Em dezembro, por exemplo, a Oxford PV registrou seu último marco de eficiência de 28% . Por outro lado, o registro atual de PV de silício é de 26,7% e os painéis comerciais de silício são muito menos eficientes.
Agora, a empresa está se preparando para apresentar os primeiros módulos solares em silício-perovskita do mundo, que combinam uma camada fina de material de perovskita com um dispositivo solar de silício.
Os módulos solares se parecem e se comportam de maneira muito semelhante aos tradicionais painéis solares de silício, diz Chris Case, diretor de tecnologia da Oxford PV. A principal diferença é que eles produzem mais energia.
Foto: Oxford PV
Oxford PV anunciou que suas células solares de silício de silício-perovskita em tandem alcançaram 28% de eficiência.
O que torna esses desenvolvimentos tão notáveis é que, há apenas sete anos, a indústria solar da perovskita nem existia. Agora, dezenas de empresas estão competindo para levar a tecnologia ao mercado. E centenas de pesquisadores em todo o mundo estão estudando novos materiais de perovskita e métodos de processamento e refinando sua compreensão de como os dispositivos funcionam.
Até o momento, o número de trabalhos acadêmicos sobre perovskitas estava a caminho dos 5 mil maiores para 2018, diz Case (embora esse número também inclua relatórios sobre perovskitas como fotodetectores , detectores de raios X e LEDs ).
E em apenas 10 anos, as perovskitas passaram de dispositivos experimentais de baixa eficiência para produtos comerciais que atendem ou superam o desempenho de células solares convencionais. Nenhuma outra tecnologia de energia solar fotovoltaica - nem OLEDs, células solares sensíveis a corantes ou quantum-dot - compara.
"Estamos em um ponto de ruptura na história", diz Case. "Neste momento, na maioria dos lugares do mundo, a energia solar fotovoltaica sem subsídios é mais barata que qualquer outra forma de geração elétrica". Os perovskitas garantirão a conquista da energia solar, diz ele.
“Você não pode parar isto. Você pode ser a maior companhia de petróleo do mundo, mas não pode parar isso. ”
O que torna as perovskitas tão atraentes é que os materiais são muito melhores do que o silício na conversão de fótons em eletricidade.
"Um dos meus colegas gosta de dizer que se você estivesse procurando o material ideal para a energia solar, nunca escolheria o silício", diz Joseph Berry , que lidera a equipe solar de perovskita no Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), em Golden, Colo. "O motivo pelo qual o [silício] se tornou um material dominante tem tudo a ver com o total de dólares em P & D que foram gastos com o silício", tanto para circuitos integrados quanto para energia solar.
"O silício tem que ser puro e perfeito para ter as características que cobiçamos", diz Berry. “As perovskitas são tolerantes a defeitos. Podemos lidar com o material de maneira deficiente e ainda obter uma eficiência de dispositivo competitivo. ”Os perovskitas também se prestam a uma variedade de métodos de produção de baixo custo, incluindo revestimento por rotação e impressão roll-to-roll. Pesquisadores da NREL desenvolveram uma tinta de perovskita que pode ser pintada.
Berry prevê que a construção de uma fábrica em escala de gigawatts para módulos solares de perovskita acabará por custar cerca de um décimo do que custa agora construir uma fábrica comparável de painéis solares de silício.
O produto final pode ser flexível e quase transparente, portanto, os especialistas imaginam usá-los como envidraçamento de janela e como revestimento de spray para edifícios.
Cristais Versáteis: Uma tinta de perovskita desenvolvida no National Renewable Energy Lab pode ser pintada.
A perovskita originalmente se referia a um mineral contendo #cálcio, #titânio e #oxigênio, descoberto pela primeira vez em 1839.
Desde então, a palavra abrange uma grande classe de compostos que têm a mesma estrutura cristalina do mineral. Sua composição química é descrita pela fórmula abreviada AMX3, onde A é tipicamente uma molécula orgânica, M é um metal (como chumbo ou estanho) e X é um halogênio (como iodo ou cloro). O grupo de Miyasaka, da Universidade Toin, usou o composto triiodeto de metila e amônio para sua primeira célula de perovskita. Mas existem centenas de milhares de compostos que podem formar essa estrutura cristalina, de acordo com o caso de Oxford PV.
Independentemente da química, qualquer célula solar de perovskita deve atender a três critérios básicos de comercialização: estabilidade, eficiência e escalabilidade. Case diz que sua empresa abordou os três combinando filmes finos de silício e uma perovskita em uma célula "em tandem" que pode ser produzida usando os mesmos métodos de fabricação usados nos painéis solares atuais.
Em 2012, quando a empresa começou a trabalhar em #perovskitas, a Oxford PV alvejou produtos de perovskita pura que podiam ser revestidos em vidro e usados como janelas e outros componentes de edifícios. “Essa ainda é uma ótima ideia, mas percebemos que o caminho para a comercialização poderia ser de 5 a 10 anos”, diz Case. "Estamos focados em entregar em um horizonte mais curto".
Quando a luz solar entra na célula em tandem de PV de Oxford, os fótons passam através de uma camada de eletrodo transparente e então atinjam a camada de perovskita, que absorve em comprimentos de onda mais curtos do que o silício, em direção ao extremo azul do espectro. Os fótons que não são absorvidos passam então por uma fina camada de junção e encontram a camada de silício, que absorve em comprimentos de onda um pouco mais longos. O resultado líquido é que mais da luz disponível é absorvida pela célula.
“Para fazer uma célula em série com 26 ou até 30% de eficiência, você só precisa de uma camada de perovskita na faixa de 15 a 17%, além de uma camada normal de silício com 20% de eficiência”, explica Case.
O Oxford PV está longe de ser o único a perseguir as perovskitas. Outros players incluem Toshiba e Panasonic no Japão e o spin-off Tandem PV da Stanford. Enquanto isso, várias empresas continuam apostando em células solares de perovskita pura: a Saule Technologies, da Polônia, a Wonder Solar, da China e a Microquanta Semiconductor, e a startup americana Energy Materials Corp. (EMC).
A EMC não se propôs a ser uma empresa de energia solar de perovskita. “Inicialmente, estávamos em Atlanta, desenvolvendo algo chamado antenas ópticas, que são uma maneira diferente de converter luz em eletricidade”, diz o co-fundador e CEO da EMC, Stephan DeLuca. Cerca de três anos atrás, diz ele, “percebemos que o caminho para a comercialização seria longo”. Nesse ponto, a EMC mudou para as perovskitas solares.
O foco da startup é comercializar o processamento roll-to-roll para suas células de perovskita. "Se você quiser fazer essas coisas de baixo custo para competir com o silício, você tem que fazer isso rápido", diz DeLuca. “Nosso objetivo é usar um rolo de 1,5 metros de largura, a 50 metros por minuto. Esse é o tipo de velocidade que você precisa ampliar. ”
Usar deposição a vácuo, como o #Oxford PV e outras empresas estão fazendo, significa “você precisa cozinhar o filme por meia hora, então aumentar a escala é mais desafiador”, afirma DeLuca. Construir uma fábrica de perovskita baseada no processamento roll-to-roll deve ser significativamente mais barato do que uma baseada na tecnologia tradicional de silício.
Foto: Energy Materials Corp.
Em um rolo: Energy Materials Corp usa impressão roll-to-roll para fazer suas células solares de perovskita de cinco camadas.
Há alguns anos, a EMC mudou-se para Rochester, NY, para aproveitar as instalações de fabricação sob contrato oferecidas pela Eastman Kodak . No momento, os dispositivos da EMC têm cinco camadas, que a máquina de rolo a rolo coloca em uma só passagem.
As #células de perovskita da EMC são baseadas em uma arquitetura de dispositivos desenvolvida por Jinsong Huang e sua equipe na Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill. “A maioria das pessoas nesse campo usa o que chamamos de estrutura NIP”, diz Huang, referindo-se a um dispositivo no qual uma camada de material dopado negativamente (ou n- tipo) fica no topo, com uma camada de material “intrínseco” não meio e positivamente dopado (ou tipo p- material) na parte inferior. Uma desvantagem das estruturas do NIP é que elas exigem temperaturas de fabricação de cerca de 200 ° C, o que aumenta seu custo e limita os métodos que podem ser usados para produzi-las.
Os dispositivos da EMC são estruturas de PIN, com material do tipo p no topo. "Achamos que eles funcionam muito melhor e podem ser fabricados usando processos de temperatura ambiente", incluindo a impressão rolo-rolo. "É definitivamente a abordagem mais rápida que você pode imaginar", diz Huang. “Já existem tantos fornecedores para fazer coisas como filmes finos de polímero. Você não precisa reinventar todos os equipamentos. ”
Apesar dos enormes ganhos e da intensa atividade, alguns pesquisadores da área da energia solar continuam céticos quanto ao potencial das perovskitas. Em uma recente entrevista para a PV Magazine , o pioneiro solar australiano Martin Green observou que “existem todos os tipos de instabilidades que devem ser enfrentadas”, incluindo sensibilidade à umidade, oxigênio e até mesmo à luz.
“É muito difícil ver um fabricante de silicone adotando um produto que seja mais eficiente, mas não tenha a mesma estabilidade que seu produto de linha de base - porque nenhum fabricante quer ter uma reputação ruim em relação à estabilidade; na verdade, pode ser fatal ”, disse Green.
EMC diz que nem todas as #perovskitas têm essa falha. “O relato de instabilidades em certas formulações de perovskita e pilhas de dispositivos foi importante para a compreensão dos materiais, mas também resultou em um equívoco de que as perovskitas como uma classe de materiais agem da mesma forma - ou seja, todas são instáveis”. O equívoco pode ter origem, em parte, no fato de que o triiodeto de chumbo de metil-amônio, que ainda é amplamente usado por pesquisadores acadêmicos, é um dos compostos instáveis. “A escolha certa do material de perovskita e das outras camadas que compõem a pilha de dispositivos gera dispositivos estáveis.”
Case diz que as células de Oxford PV foram projetadas para serem estáveis e passaram por todos os principais testes de vida útil acelerada usados para módulos PV padrão. A empresa colocará em campo os primeiros módulos em 2019 e está trabalhando com um "maior fabricante de módulos e módulos solares de silício".
Em setembro, a empresa lançou um programa conjunto de cinco anos de pesquisa de cinco milhões de libras esterlinas (US $ 6,4 milhões) com a Universidade de Oxford, com o objetivo de atingir 37% de eficiência. Se o programa for bem-sucedido, o resultado será módulos solares com quase o dobro da capacidade de conversão de energia dos atuais painéis de commodity. E mesmo que o Oxford PV não atinja essa marca, provavelmente outra empresa o fará.
De sua parte, a Berry da NREL diz que é importante não apressar a tecnologia trazendo produtos para o mercado que não foram totalmente controlados.
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