Como podemos obter ainda mais energia do sol

Painéis solares em um telhado de Walmart, Mountain View, Califórnia. Walmart / Flickr, CC BYPainéis solares em um telhado de Walmart, Mountain View, Califórnia.
Walmart / Flickr, CC BY

A demanda global por energia está aumentando a cada hora, à medida que os países em desenvolvimento avançam em direção à industrialização. Especialistas estimam que até o ano 2050, a demanda mundial por eletricidade pode chegar Terawatts 30 (TW) Por uma perspectiva, um terawatt é aproximadamente igual ao poder de 1.3 bilhões de cavalos.

A energia do sol é ilimitada - o sol nos fornece 120,000 TW de potência a qualquer instante - e é grátis. Mas hoje a energia solar fornece apenas cerca de um por cento da eletricidade do mundo. O desafio crítico é tornar menos dispendioso converter foto-energia em energia elétrica utilizável.

Para isso, precisamos encontrar materiais que absorvam a luz solar e a convertam em eletricidade de maneira eficiente. Além disso, queremos que esses materiais sejam abundantes, ambientalmente benignos e econômicos para serem fabricados em dispositivos solares.

Pesquisadores de todo o mundo estão trabalhando para desenvolver tecnologias de células solares que sejam eficientes e acessíveis. O objetivo é trazer o custo de instalação de energia solar abaixo de US $ 1 por watt, em comparação com cerca de $ 3 por watt hoje.

Na Universidade de Binghamton Centro de Energia Solar Autônoma (CASP)Estamos investigando maneiras de produzir células solares de filmes finos usando materiais que são abundantes na natureza e não tóxicos. Queremos desenvolver células solares confiáveis, altamente eficientes na conversão de luz solar em eletricidade e de baixo custo de fabricação. Nós identificamos dois materiais que têm grande potencial como absorvedores solares: pirita, mais conhecida como ouro de tolo por causa de seu brilho metálico; e cobre-zinco-estanho-sulfeto (CZTS).

Buscando o material ideal

As células solares comerciais de hoje são feitas de um dos três materiais: silício, telureto de cádmio (CdTe) e cobre-índio-gálio-seleneto (CIGS). Cada um tem pontos fortes e fracos.

As células solares de silício são altamente eficientes, convertendo até 25 por cento da luz solar que cai sobre elas em eletricidade e são muito duráveis. No entanto, é muito caro processar silício em wafers. E essas bolachas têm que ser muito espessas (cerca de 0.3, que é espessa para as células solares) para absorver toda a luz solar que incide sobre elas, o que aumenta ainda mais os custos.

As células solares de silício - muitas vezes referidas como células solares de primeira geração - são usadas nos painéis que se tornaram locais familiares nos telhados. Nosso centro está estudando outro tipo de célula solar de película fina, que é a próxima geração de tecnologia solar. Como o próprio nome sugere, células solares de película fina são feitas colocando uma camada fina de material absorvente solar sobre um substrato, como vidro ou plástico, que normalmente pode ser flexível.

Estas células solares usam menos material, por isso são menos dispendiosas do que as células solares cristalinas feitas de silício. Não é possível revestir o silício cristalino em um substrato flexível, então precisamos de um material diferente para usar como absorvedor solar.

Embora a tecnologia solar de película fina esteja melhorando rapidamente, alguns dos materiais nas células solares de filme fino de hoje são escassos ou perigosos. Por exemplo, o cádmio no CdTe é altamente tóxico para todos os seres vivos e é conhecido por causar câncer em humanos. O CdTe pode ser separado em cádmio e telúrio a altas temperaturas (por exemplo, em laboratório ou em casa), representando um sério risco de inalação.

Estamos trabalhando com pirita e CZTS porque eles são não-tóxicos e muito baratos. CZTS custa cerca de 0.005 centavos por watt e custos de pirita um mero centavo 0.000002 por watt. Eles também estão entre os materiais mais abundantes na crosta terrestre e absorvem eficientemente o espectro visível da luz solar. Esses filmes podem ser tão finos quanto 1 / 1000th de um milímetro.

Teste de células solares CZTS sob luz solar simulada. Tara Dhakal / Binghamton University, Autor desde Teste de células solares CZTS sob luz solar simulada.
Tara Dhakal / Binghamton University, Autor desde
Precisamos cristalizar esses materiais antes de podermos fabricá-los em células solares. Isso é feito aquecendo-os. CZTS cristaliza a temperaturas abaixo de 600 grau Celsius, comparado a 1,200 graus Celsius ou superior para silício, o que o torna menos dispendioso de processar. Tem um desempenho semelhante ao das células solares de seleneto de cobre e índio gálio de alta eficiência (CIGS), que estão comercialmente disponíveis agora, mas substitui o índio e o gálio nessas células por zinco e estanho mais baratos e abundantes.

Até agora, no entanto, as células solares da CZTS são relativamente ineficientes: elas convertem menos de 13% da luz solar que cai sobre eles para a eletricidade, em comparação com 20 por cento para as células solares CIGS mais caras.

Sabemos que as células solares CZTS têm um potencial para serem 30 por cento eficientes. Os principais desafios são o 1) sintetizar filme fino CZTS de alta qualidade sem qualquer vestígio de impurezas, e o 2) encontrar um material adequado para a camada “buffer” abaixo dele, que ajuda a coletar as cargas elétricas que a luz solar cria na camada absorvedora. Nosso laboratório produziu um filme fino CZTS com eficiência de sete por cento; Esperamos abordar a eficiência percentual de 15 em breve, sintetizando camadas CZTS de alta qualidade e encontrando camadas de buffer adequadas.

Estrutura de uma célula solar CZTS. Tara Dhakal / Binghamton University, Autor desdeEstrutura de uma célula solar CZTS.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Autor desde
A pirite é outro absorvente potencial que pode ser sintetizado a temperaturas muito baixas. Nosso laboratório sintetizou filmes finos de pirita, e agora estamos trabalhando para colocar esses filmes em células solares. Este processo é desafiador porque a pirita se rompe facilmente quando é exposta ao calor e à umidade. Estamos pesquisando maneiras de torná-lo mais estável sem afetar sua absorção solar e propriedades mecânicas. Se pudermos resolver este problema, o ouro do tolo pode se transformar em um dispositivo fotovoltaico inteligente.

Em um estudo recente, pesquisadores da Universidade de Stanford e da Universidade da Califórnia em Berkeley estimaram que a energia solar poderia fornecer até 45 por cento de eletricidade dos EUA por 2050. Para atingir essa meta, precisamos continuar reduzindo o custo da energia solar e encontrar formas de tornar as células solares mais sustentáveis. Acreditamos que materiais abundantes e não tóxicos são essenciais para a percepção do potencial da energia solar.

Sobre o autor

dhakal taraTara P. Dhakal, Professora Assistente de Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Binghamton, Universidade Estadual de Nova York. Seu interesse de pesquisa é em energia renovável, em particular energia solar. Seu objetivo de pesquisa é alcançar a tecnologia de células solares que é ambientalmente benigna e economicamente acessível.

Este artigo foi originalmente publicado em A Conversação. Leia o artigo original.

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