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OPVIUS FOTOVOLTAICO ORGÂNICO
Como resultado de suas características únicas, as células solares orgânicas têm uma série de aplicações potenciais, incluindo integração em janelas para gerar energia a partir da luz solar. Fotos cortesia de MaterialDistrict

Quando você imagina a energia solar, é provável que você evoque imagens de grandes painéis solares cobrindo o comprimento de um telhado ou de um grande fazenda solar em um campo. Mas e se você pudesse colocar um painel solar no teto solar de um carro híbrido, em uma barraca ou dentro das janelas de um prédio de escritórios? E se você pudesse alimentar um refrigerador de vacinas em um local remoto com um painel solar flexível que pudesse ser enviado em um tubo de correio? Essas são apenas algumas das aplicações possíveis de uma tecnologia relativamente nova conhecida como células solares orgânicas (OSCs) - nova, pelo menos, quando comparada à tecnologia solar de silício, que existe desde os anos 1950.

Como a tecnologia solar de silício tradicional, os OSCs transformam a energia do sol em eletricidade utilizável. Mas eles são muito mais versáteis do que os fotovoltaicos solares convencionais. OSCs são leves e flexíveis e podem ser semitransparentes ou em várias cores. Essas qualidades dão a eles aplicações potenciais para células solares integradas a têxteis, veículos e edifícios, e para a geração de energia em áreas onde ela não existe.

Aplicativos Únicos

Embora financiamento e pesquisa adicionais sejam necessários para trazer OSCs para o mercado comercial, os especialistas concordam que eles desempenharão um papel importante no futuro da tecnologia solar. Dito isso, eles não vão substituir ou competir frente a frente com as células solares de silício. “Não devemos esperar ver campos expansivos de OSCs, como aqueles que geram gigawatts de energia em fazendas solares de silício”, diz Seth Marder, professor de química da Georgia Tech. O silício solar é adequado para fornecer energia solar em grande escala, enquanto os OSCs têm outros pontos fortes exclusivos que orientam suas aplicações no mundo real. 

Dois recursos exclusivos dos OSCs são sua espessura e flexibilidade. Enquanto uma célula solar de silício típica é quase tão espessa quanto a largura média de um cabelo humano, a maioria das OSCs é cerca de mil vezes mais fina. Devido à sua espessura e flexibilidade, os OSCs podem ser fabricados em superfícies curvas e apoios flexíveis. Por exemplo, eles podem ser remendados ou integrados em tecidos de barracas, mochilas e até roupas. Muitos desses produtos ainda estão em desenvolvimento e ocupam um nicho de mercado, mas demonstram a criatividade inovadora que os OSCs oferecem. Com a tecnologia OSC, as possibilidades de onde as células solares podem ser usadas foram amplamente expandidas além de apenas telhados e fazendas solares.


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OSCs também podem ser transparentes, semitransparentes ou em várias cores. Como resultado, há muitos aplicativos potenciais para uso arquitetônico. Por exemplo, OSCs transparentes podem ser integrados às janelas para gerar energia da luz solar que, de outra forma, aqueceria uma sala e contribuiria para custos mais altos de ar condicionado. Franky So, professor de ciência de materiais e engenharia da Universidade Estadual da Carolina do Norte, oferece outra aplicação: OSCs podem ser usados ​​em tetos solares para ajudar a fornecer energia a veículos elétricos e híbridos.

Além disso, o baixo investimento inicial e os custos de envio de produtos potencialmente baixos tornam a tecnologia OSC acessível às comunidades em países em desenvolvimento que não têm acesso a uma rede elétrica e os meios financeiros para construí-la. OSCs têm a capacidade única de “levar energia onde não existe energia”, explica Malika Jeffries-EL, professora associada de química da Universidade de Boston. Nesses casos, a tecnologia OSC poderia fornecer eletricidade essencial nas menores quantidades necessárias para tarefas como iluminação, carregamento de telefones celulares e refrigeração de medicamentos e vacinas.

Outro ponto de venda dos OSCs é que eles consomem menos energia para fabricar do que as células solares de silício. Fornos extremamente quentes - acima de 1,500 ° C (2,700 ° F) - são necessários para gerar silício de alta pureza para células solares de silício. Em comparação, OSCs em grande escala podem ser fabricados simplesmente imprimindo as camadas da célula em um suporte em um processo semelhante ao usado para imprimir jornais. Como esse processo consome menos energia, as OSCs têm um tempo de retorno de energia significativamente menor do que as células de silício. Em outras palavras, os OSCs requerem menos tempo para gerar a quantidade de energia necessária para fabricá-los.

Como funciona

A primeira célula solar orgânica foi desenvolvida em 1958, mas não foi até os anos 2000 que OSCs viram um aumento significativo na eficiência. Essa tecnologia OSC aprimorada surgiu no campo dos diodos emissores de luz orgânicos, comumente conhecidos como OLEDs. A tecnologia OLED é usada para muitas telas de televisão e telefone no mercado hoje. Em uma tela OLED, uma camada de moléculas orgânicas (moléculas compostas principalmente de átomos de carbono e hidrogênio) emite luz quando uma corrente elétrica é aplicada. OSCs funcionam essencialmente de maneira oposta - a camada de moléculas orgânicas gera uma corrente elétrica quando exposta à luz.

Uma célula solar orgânica é composta de várias camadas de materiais, uma das quais é a camada aceitadora. Quando a luz solar atinge a célula, um elétron é liberado da camada de moléculas orgânicas, e a função do aceitador é passar esse elétron para o eletrodo. Esse processo causa um aumento de carga, que é o que gera eletricidade.

Gráfico de eficiência de OSCs de 2000 a 2020Com o desenvolvimento de aceitadores não-fulerenos, a eficiência dos OSCs aumentou drasticamente. Gráfico cortesia do Dr. Felipe Larrain

Tradicionalmente, os aceptores mais comumente usados ​​em OSCs eram materiais baseados em fulereno - uma molécula composta de 60 átomos de carbono unidos em uma estrutura que lembra uma bola de futebol. No entanto, com aceitadores de fulereno, a eficiência dos OSCs foi limitada a cerca de 10%. Em outras palavras, apenas 10% da luz solar que atinge a célula solar foi convertida em eletricidade. Os pesquisadores, portanto, decidiram explorar novos tipos de camadas aceitadoras como um meio de aumentar a eficiência do OSC.

O avanço que permitiu aos OSCs alcançar maior eficiência foi o desenvolvimento de aceitadores não-fulerenos (NFAs). Com os NFAs, a eficiência dos OSCs aumentou drasticamente - até% 18 em apenas alguns anos. Isso trouxe OSCs para a extremidade inferior da Eficiência de 18% a 22% da célula solar de silício comercialmente disponível média. Esse aumento na eficiência excedeu as expectativas de muitos especialistas, alguns dos quais começaram a trabalhar no campo quando a eficiência dos OSCs girava em torno de apenas 3%. “Se há 10 anos você me dissesse que teríamos células solares orgânicas com eficiência de 18%, eu teria rido”, diz Marder.  

Barreiras a superar

Ainda há muito trabalho a ser feito antes que OSCs possam ser amplamente comercializados. Um dos maiores desafios são os solventes usados ​​no processo de fabricação. A maioria dos OSCs de alto desempenho é feita com solventes clorados, que apresentam riscos à saúde e ao meio ambiente. “Ao expandir a fabricação de OSC, você deve considerar a exposição das pessoas que trabalharão nas fábricas”, diz Bernard Kippelen, professor de engenharia elétrica e de computação da Georgia Tech. A pesquisa até agora se concentrou amplamente na obtenção de eficiências cada vez mais altas, mas, como Kippelen diz, “precisamos de uma abordagem que vá muito além de apenas um número”. Para tornar os OSCs uma tecnologia viável, o processo de fabricação deve ser otimizado para torná-lo mais seguro e mais econômico.

Outra barreira para a produção em massa de OSCs é a diferença entre as eficiências de células individuais testadas em condições ideais de laboratório e as eficiências que foram demonstradas para módulos maiores. Células individuais podem ter alta eficiência, mas a montagem de várias células em módulos, painéis ou matrizes requer conexões elétricas adicionais que diminuirão a eficiência. No entanto, como Kippelen aponta, esses tipos de disparidades são esperados. “Leva algum tempo para que os aumentos na eficiência das células se reflitam nas eficiências dos módulos que saem das linhas de fabricação”, diz ele. “O mesmo acontecia com as células solares de silício.”

O financiamento da pesquisa OSC é outra preocupação. Nos Estados Unidos, grande parte do financiamento para pesquisas com células solares vem de agências governamentais, como o Departamento de Energia. No entanto, de acordo com Kippelen, "muitas fontes de financiamento meio que secaram para fazer pesquisas sobre OSC", devido ao surgimento de uma classe de células solares em rápida expansão chamada perovskitas. “Tem havido muito entusiasmo em torno do uso de perovskitas porque sua eficiência é ainda maior do que o silício em alguns casos”, diz Kippelen. No entanto, embora o financiamento para OSCs tenha diminuído nos EUA, a China continua a liderar a pesquisa e o desenvolvimento de OSC. “A quantidade de trabalho [em pesquisa OSC] nos Estados Unidos é uma pequena fração da quantidade de trabalho na China”, diz Marder. “As pessoas na China estão indo a todo vapor sobre isso.” 

Razões para otimismo

O consumo mundial de energia no futuro continuará a aumentar, especialmente porque os países em desenvolvimento aspiram aos mesmos benefícios da produção de energia sob demanda que os países desenvolvidos desfrutam. Pesquisadores como Marder, Kippelen, Jeffries-EL e So say OSC technology tem o potencial de desempenhar um papel único e importante na transição global em direção à energia renovável. O recente aumento na eficiência do OSC para 18% tem muitos pesquisadores trabalhando para avançar esta tecnologia, e os cientistas estão agora olhando para OSCs em tandem (que usam dois materiais diferentes que absorvem comprimentos de onda distintos da luz solar) para capturar ainda mais energia. Alguns têm esperança de que esse desenvolvimento possa aumentar ainda mais a eficiência do OSC - em até 20%.

Kippelen pede uma visão de longo prazo da tecnologia OSC. “A tecnologia solar vai existir por muito tempo”, diz ele, “e eu realmente acredito que a OSC, com o tempo, se estabelecerá como uma tecnologia realmente importante”.

Sobre o autor

 Kellie Stellmach é uma estudante de pós-graduação em busca de seu doutorado. em química na Georgia Tech. Ela é apaixonada pelo desenvolvimento de novos materiais orgânicos para enfrentar os desafios ambientais e de sustentabilidade. Sua pesquisa atual se concentra na síntese de polímeros de baixa temperatura de teto com aplicações potenciais como materiais recicláveis.

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Este artigo foi publicado originalmente em Ensia

 

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