Como a nova tecnologia solar e de iluminação pode impulsionar uma transformação de energia renovável

Como a nova tecnologia solar e de iluminação pode impulsionar uma transformação de energia renovável
As tecnologias solares atuais não são boas o suficiente.
Antonio Garcia no Unsplash, FAL

A demanda por eletricidade mais barata e mais verde significa que o cenário energético está mudando mais rápido do que em qualquer outro momento da história. Isso é particularmente verdadeiro para eletricidade movida a energia solar e nos armazenamento de bateria. O custo de ambos caiu a taxas sem precedentes na última década e as tecnologias de eficiência energética, como A iluminação LED também se expandiram.

O acesso à energia solar barata e onipresente e ao armazenamento transformará a maneira como produzimos e usamos a energia, permitindo a eletrificação do setor de transporte. Há potencial para novas economias baseadas em produtos químicos nas quais nós armazenar energia renovável como combustíveis, e suportar novos dispositivos constituindo um “internet das coisas".

Mas nossas tecnologias de energia atuais não nos levarão a este futuro: em breve atingiremos os limites de eficiência e custo. o potencial para futuras reduções no custo da eletricidade do silício solar, por exemplo, é limitado. A fabricação de cada painel exige uma boa quantidade de energia e as fábricas são caro para construir. E embora o custo de produção possa ser reduzido um pouco mais, os custos de uma instalação solar são agora dominado pelos extras - instalação, fiação, eletrônica e assim por diante.

Isso significa que os sistemas de energia solar atuais provavelmente não atenderão à fração necessária de nossos requisitos de energia global de 30 TeraWatt (TW) (eles produzem menos de 1 TW hoje) rápido o suficiente para abordar questões como as mudanças climáticas.

Da mesma forma, nossas atuais tecnologias de iluminação e display LED são muito caras e não têm qualidade de cor boa o suficiente para substituir de forma realista a iluminação tradicional em um curto espaço de tempo. Este é um problema, pois a iluminação atualmente é responsável por 5% das emissões de carbono do mundo. Novas tecnologias são necessárias para preencher essa lacuna e rapidamente.

Perovskitas Halide

Nosso laboratório em Cambridge, Inglaterra, está trabalhando com uma nova família promissora de materiais conhecida como perovskitas halogenadas. Eles são semicondutores, conduzindo cargas quando estimulados com luz. As tintas de perovskita são depositadas no vidro ou plástico para fazer filmes extremamente finos - cerca de um centésimo da largura de um fio de cabelo humano - feitos de metal, halogeneto e íons orgânicos. Quando imprensado entre os contatos do eletrodo, esses filmes fazem célula solar ou dispositivos LED.

Surpreendentemente, a cor da luz que eles absorvem ou emitem pode ser alterada simplesmente ajustando sua estrutura química. Ao mudar a maneira como os cultivamos, podemos adaptá-los para serem mais adequados para absorver luz (para um painel solar) ou emitir luz (para um LED). Isso nos permite fazer células solares e LEDs de cores diferentes, emitindo luz desde o ultravioleta até o visível e infravermelho próximo.


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Apesar de seu processamento barato e versátil, esses materiais têm se mostrado notavelmente eficientes como células solares e emissores de luz. Células solares perovskita atingidas 25.2% de eficiência em 2019, logo atrás das células de silício cristalino em 26.7%, e os LEDs de perovskita já estão Aproximando desempenho de diodo orgânico emissor de luz (OLED) pronto para uso.

Essas tecnologias são sendo rapidamente comercializado, particularmente na frente da célula solar. Oxford Photovoltaics, com sede no Reino Unido, construiu uma linha de produção e está atendendo seus primeiros pedidos de compra em 2021 início. A empresa polonesa Saule Technologies lançou produtos protótipo no final de 2018, incluindo um piloto de fachada solar perovskite. A fabricante chinesa Microquanta Semiconductor espera produzir mais do que 200,000 metros quadrados de painéis em sua linha de produção antes do final do ano. A americana Swift Solar (uma empresa que co-fundei) é pioneira alta performance células com propriedades leves e flexíveis.

Tintas emissoras de luz perovskita coloridas que podem ser moldadas em filmes finos.Tintas emissoras de luz perovskita coloridas que podem ser moldadas em filmes finos. © Sandeep Pathak, Autor fornecida

Entre essas e outras empresas, há um rápido progresso sendo feito.

Janelas solares e painéis flexíveis

Ao contrário das células de silício convencionais, que precisam ser muito uniformes para alta eficiência, os filmes de perovskita são compostos de mosaico “grãos” de tamanho altamente variável (de nanômetros a milímetros) e química - e ainda assim eles funcionam quase tão bem quanto as melhores células de silício hoje. Além do mais, pequenas manchas ou defeitos em filmes perovskita não levam a perdas de energia significativas. Esses defeitos seriam catastróficos para um painel de silício ou um LED comercial.

Embora ainda estejamos tentando entender isso, esses materiais estão forçando a comunidade a reescrever o livro para o que consideramos um semicondutor ideal: eles podem ter propriedades ópticas e eletrônicas muito boas, apesar de - ou talvez até por causa de - desordem.

Poderíamos, hipoteticamente, usar esses materiais para fazer células solares coloridas de "designer" que se integram a edifícios ou casas, ou janelas solares que parecem vidro colorido, mas geram poder.

Mas a oportunidade real é desenvolver células altamente eficientes, além da eficiência das células de silício. Por exemplo, podemos colocar duas camadas de filmes de perovskita em cores diferentes em um Célula solar “tandem”. Cada camada coletaria diferentes regiões do espectro solar, aumentando a eficiência geral da célula.

Outro exemplo é o que Oxford PV é pioneiro: adicionar uma camada de perovskita no topo de uma célula de silício padrão, aumentando a eficiência da tecnologia existente sem custo adicional significativo. Essas abordagens de camadas em tandem podem criar rapidamente um aumento na eficiência de painéis solares além de 30%, o que reduziria os custos do painel e do sistema, reduzindo também sua pegada de energia.

Essas camadas de perovskita também estão sendo desenvolvidas para fabricar painéis solares flexíveis que podem ser processados ​​para rolar como papel de jornal, ainda mais reduzindo custos. A energia solar leve e de alta potência também abre possibilidades para alimentar veículos elétricos e satélites de comunicação.

Protótipo de célula solar de perovskita flexível.Protótipo de célula solar de perovskita flexível. Plamen Petkov para a Scientific American

Para LEDs, as perovskitas podem alcançar resultados fantásticos qualidade da cor o que poderia levar a avançado tecnologias de display flexíveis. As perovskitas também podem oferecer mais barato e maior qualidade iluminação branca do que os LEDs comerciais de hoje, com a “temperatura de cor” de um globo capaz de ser fabricado para fornecer luz branca fria ou quente ou qualquer tonalidade intermediária desejada. Eles também estão gerando entusiasmo como blocos de construção para futuros computadores quânticos, assim como Detectores de raio-x para imagens médicas e de segurança em doses extremamente baixas.

Embora os primeiros produtos já estejam surgindo, ainda existem desafios. Uma questão importante é demonstrar estabilidade a longo prazo. Mas a pesquisa é promissora e, uma vez resolvidos, as perovskitas halogenadas podem realmente impulsionar a transformação de nossa produção e consumo de energia.A Conversação

Sobre o autor

Sam Stranks, professor de Energia e bolsista de pesquisa da Royal Society University, Universidade de Cambridge

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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