ADIÇÃO DE CÉSIO A PEROVSKITA EM CÉLULAS SOLARES AUMENTA A PERFORMANCE DO SILÍCIO. (Comentado)

Uma equipe de pesquisadores que trabalha na Universidade de Oxford encontrou uma maneira de adicionar césio a perovskita de células solares para melhorar o desempenho do silício, mantendo as vantagens de eficiência que ele oferece. Em seu artigo publicado na revista Science, a equipe descreve seu processo que incluiu encontrar uma maneira de superar o problema da perda de eficiência em tais materiais que normalmente acontece devido a uma gama limitada de utilização do espectro solar.

Imagem de microscópio de varrimento electrónico de um corte transversal de um planar heterojunction célula solar. PCBM, éster metílico do ácido fenil-C60-butírico. Crédito: Science (2016). DOI: 10.1126 / science.aad5845

Imagem de microscópio de varrimento eletrônico de um corte transversal de uma heterojunção planar de célula solar. PCBM, Éster metílico do ácido fenil-C60-butírico. Crédito: Science (2016). DOI: 10.1126 / science.aad5845

Enquanto os investigadores de todo o mundo continuam olhando para o material da próxima geração a ser usado para coleta de energia solar para aumentar a eficiência, outros continuam a procurar formas de melhorar o padrão atualmente em uso: o silício. Neste novo o esforço da equipe de pesquisa observou o trabalho feito por outros olhando para a possibilidade de utilizar perovskitas (minerais feitos principalmente de titanato de cálcio) como possíveis substitutos para o silício, e encontrou uma maneira de adicionar césio ao mineral para fazer o trabalho em conjunto com silicone para criar um coletor solar que é até 25% mais eficiente do que os atualmente em uso. Essa melhora no desempenho poderia sinalizar uma transformação no poder do uso da energia solar no mundo, que até agora, não provou ser eficiente o suficiente para o consumidor médio cortar o cordão da concessionária e dobrar a eficiência que só poderia fazer isso com um investimento inteligente.

Sketch of the tandem cell. Light is coming from below. Credit: Felix Lang/HZB

Esboço da célula conjunta. A luz está vindo de baixo. Crédito: Felix Lang / HZB

Até agora, os esforços para obter perovskitas para trabalhar em conjunto com o silício foram retidos por ineficiências nas células devido à gama de espectro solar que eles foram capazes de fazer-tentativas para ajustar o mix levaram a instabilidade dos materiais. Para superar este problema, os pesquisadores na Universidade de Oxford vieram com um processo baseado na substituição de determinados íons no material com íons de césio-resolvendo o problema do espectro, eles relatam, mantendo ao mesmo tempo a estabilidade da estrutura global.

Os pesquisadores reconhecem que suas células não estão prontas para o horário nobre ainda, mais trabalho terá de ser feito para garantir que as células funcionem no mundo real, o que poderia ser um desafio, como perovskitas historicamente têm uma tendência a se deteriorar quando expostas a umidade e ar.

Fonte: Phys.org

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Comentários internos

Cerca de 44% da energia solar que alcança nosso planeta chega até a superfície. A outra parcela da energia é retida pela camada de ozônio que barra o ultravioleta, é refletida de volta ao espaço pelas nuvens, é difundida pelo ar, absorvida por poeira ou H2O.

Esquema de entrada, refração de radiação solar, difusa e irradiada de volta ao espaço

Esquema de entrada, refração de radiação solar, difusa e irradiada de volta ao espaço. Clique para ampliar

Estes 44% de energia que chegam até a superfície correspondem a 1.367W/m2 (Watts = Joules por segundo). De toda esta energia que chega a superfície, cerca de 30% é refletida de volta para o espaço em forma de infravermelho. O uso de energia solar parte da captação da energia que chega a superfície e incide sobre células fotovoltaicas. Algumas células concentram energia através de espelhos côncavos refletindo-a para um certo ponto. Este é o caso da Usina de Nevada Solar One no deserto de Nevada próximo a Las Vegas, e que já foi descrita aqui. A maior dificuldade para este tipo de captação de energia é que por ser côncava, é necessário sempre deslocar as células para centralizar a captação de energia na direção do Sol.

As células fotovoltaicas convencionais que estão sendo popularizadas atualmente apresentam uma superfície plana, e partem um sistema simples de transferência de elétrons. O uso da perovskita apenas tenta otimizar a eficiência da captação.

A primeira geração de células fotovoltaicas constitui a tecnologia dominante na produção comercial, representando mais de 80% do mercado mundial. O efeito fotovoltaico foi descoberto pela primeira vez em 1839 por Edmond Becquerel. Entretanto, só após 1883 que as primeiras células fotovoltaicas foram construídas, por Charles Fritts, que cobriu o selênio semicondutor com uma camada extremamente fina de ouro de modo a formar junções. Os módulos são constituídos por células fotovoltaicas, que consistem de uma lâmina de silício, um elemento químico representado pelo número atômico 14 na tabela periódica.

Boro, Silício e Arsênico.

Boro, Silício e Arsênico.

A célula fotovoltaica usa o silício para funcionar. O silício é um elemento da coluna 4A da tabela periódica e possui 4 elétrons em sua última camada de energia. Desta forma, em um cristal puro de silício cada átomo faz 4 ligações covalentes envolvendo um par de elétrons com quatro diferentes átomos de silício. A adição de um átomo de arsênico (coluna 5A), com 5 elétrons na última camada ao cristal resulta em um elétron desemparelhado no novo arranjo resultante entre os átomos de silício e os de arsênico. O oposto ocorre quando são adicionados ao cristal átomos de boro (coluna 3A) com três elétrons na última camada. O boro faz apenas três ligações covalentes com os quatro átomos de silício sendo que na ultima ligação falta um elétron. É este buraco vazio dentro do cristal que será ocupado por um elétron. A junção de dois cristais de silício, um dopado com arsênico (conhecido como doador de elétrons) e um com boro (como aceptor de elétrons) que cria condições para que haja fluxo de elétrons saindo de um cristal em direção ao outro, gerando uma corrente elétrica. A energia solar é então fundamental para fornecer a este sistema este tipo de movimentação continua de elétrons (Rocha et al, 2009).

Em a) o cristal de silício, b) cristal de silício dopado com arsênico com um elétron desemparelhado (marco com um circulo preenchido, c) cristal de silício dopado com boro com uma ligação deficiente em elétron (marcada com um círculo vazio)

Em a) o cristal de silício, b) cristal de silício dopado com arsênico com um elétron desemparelhado (marcado com um círculo preenchido, c) cristal de silício dopado com boro com uma ligação deficiente em elétron (marcada com um círculo vazio). Clique para ampliar. Fonte: Rocha et al, 2009

A primeira célula fotovoltaica tinha apenas 3,8% de eficiência para converter luz do sol em eletricidade. A primeira célula fotovoltaica com peroviskta superou 10% de energia no ano de 2011 no Laboratório Clarendon (Universidade de Oxford). O record de eficiência com perovskita até pouco tempo atrás era de 20,1%, estabelecido pelo Instituto de pesquisa Tecnológica Química da Coreia em 2014 (um aumento de 5 vezes em apenas 3 anos). Agora, as células de silício estagnaram em aproximadamente 25%. Então, o uso da perovskita se tornou a tecnologia da vez.

Perovskita são abundantes e podem combinar a outros elementos facilmente. Seu preço é razoavelmente baixo e pode ser usado até para a produção de películas de filme devido a sua estrutura cristalina obtida em forma de wafers, como aquelas bolachas, porém, recheadas com silício. Os protótipos atuais de células de perovskita tem o tamanho aproximado de uma unha e as melhores células somente com silício têm precisamente 25,6% de eficiência.

Quando mais puro, maior a qualidade do cristal, melhor a eficiência energética e menores são os defeitos que podem eventualmente interromper ou induzir o fluxo da corrente em perder elétrons.

Células de silício são aquecidas até 900°C para remover defeitos em sua fabricação, embora, por regra básica da engenharia química de materiais, não existe material 100% puro, sempre há impurezas, como átomos que preenchem regiões intersticiais em metais. É difícil refinar metais até uma pureza superior a 99,9999%. Neste nível, da ordem de 1022 ou 1023 átomos de impurezas estarão presentes em cada metro cúbico de material (Callister Jr & Rethwisch, 2012).

As perovskitas são processadas em temperaturas mais baixas, de cerca de 100°C e isto aumenta a eficiência para a produção de energia e reduz impurezas. A potência elétrica de uma célula corresponde ao produto do fluxo de elétrons que saem dela (é o que chamamos de corrente elétrica) e a energia que esses elétrons carregam chamamos de voltagem. Assim, a eficiência das perovskitas pode rivalizar-se com a do silício. Entretanto, existe um limite para a quantidade de energia que uma célula fotovoltaica de semicondutores de silício e de perovskita podem converter em eletricidade.

Semicondutores são materiais sólidos, geralmente cristalinos, de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. De uma maneira geral, seus elétrons preenchem todos os estados disponíveis na banda de valência. A condutividade elétrica ocorre somente aos elétrons em bandas parcialmente cheias. Portanto a condutividade dos semicondutores à temperatura ambiente é causada pela excitação de uns poucos elétrons da banda de valência para a banda de condução. A quantidade de energia necessária para tirar um elétron da banda de valência e ‘libertá-lo’ na banda de condução é que determina se um sólido será um condutor, semicondutor ou isolante. Para um semicondutor, por definição, esta energia é abaixo dos 4.5 eV (elétron-volt), para isolantes esta energia é a partir desse valor. Nos condutores existem sempre bandas de energia semi-preenchidas, portanto não existe uma quantidade mínima de energia necessária para se liberar seus elétrons.

Assim, o próprio semicondutor tem a propriedade de banda-gap, ou banda proibida. É um nível mínimo de energia que é necessário para liberar elétrons. A luz solar abrange todos os comprimentos de onda, mas somente alguns deles excedem o limite da banda-gap, os outros atravessam o material. O gap de energia é diferente para diferentes semicondutores, mas de forma geral, quanto mais baixo for o gap, mais luz do espectro solar uma célula fotovoltaica é capaz de absorver para excitar elétrons, porém, mais baixa será a energia de cada elétron. Como energia elétrica depende tanto do número quanto da energia dos elétrons, mesmo uma célula com um banda-gap ideal só poderia converter cerca de 33% da energia solar. A perovskita aproveita as cores mais energéticas da luz solar, como o azul e do ultravioleta, portanto tem uma voltagem muito maior que o silício, que gera uma voltagem muito menor.

A banda-gap do silício não é ideal, mas é o carro chefe da produção mundial porque são mais eficazes para produção de energia e a tecnologia é bem compreendida. O uso da perovskita permite os pesquisadores ajustarem o gap de energia ao mudarem ligeiramente a mistura de materiais o que aumenta a perspectiva de exceder os níveis de eficiência do silício. Além disto, é possível criar camadas com dois andares de perovskita (Double-deckers) com banda-gaps distintas e ultrapassar 33% de eficiência. Alguns projetos apontam para um aproveitamento de até 46% da energia solar.

Em 2009 a Universidade Toin de Yokohama criou uma célula fotovoltaica a partir de peroskita a base de haleto de chumbo originalmente criada em 1978. Eles dissolveram os produtos químicos, centrifugaram e deixaram a solução descansar sobre uma fina lâmina de vidro. Após a secagem depositaram um filme nanométrico de perovskita e cristais de sal. Esta película gerou elétrons quando absorveu calor da luz e com algumas inovações tecnológicas conseguiram um ganho de 20% de eficiência energética. A grande chave do processo de produção é sintetizar películas cristalinas livre de impurezas e isto exige processos complicados. O pesquisador Sang Il Seok do Instituto de Pesquisa de Tecnologia Química da Coreia desenvolveu um processo multifásico que força a produção de um cristal mais ordenado resultante de um processo de centrifugação. Desde então, pesquisadores coreanos e australianos tem cooperado em produzir células que medem 10 cm por 10 cm para tornar o produto competitivo no mercado. Eles têm de atingir três pré-requisitos para a comercialização: garantir estabilidade para produzir eletricidade por décadas; segurança para que os clientes tenham confiança em colocar os painéis em suas casas; e convencer críticos e céticos que acreditam que as informações sobre a perovskita estão muito infladas.

O único problema da perovskita é que elas são sensíveis a umidade e precisam ser completamente lacradas. As células em teste são encapsuladas em resina epóxi e duram mais de mil horas expostas a luz solar. Em alguns testes feitos colocadas para trabalhar ao ar livre na Arábia Saudita, onde o sol é intenso as células funcionaram durante mais de 2 mil horas. Para a indústria de painéis solares a garantia deve ser de 25 anos, ou seja, cerca de 54 mil horas sob a luz solar. Barrar a umidade então é a principal tarefa. Células de silício podem ser vedadas com lâminas de vidro, mas a melhor estratégia para células de perovskita eram lâminas de chumbo, porém, são tóxicas.

Outro material alternativo ao silício são painéis de telureto de cádmio que se espalharam pelo mundo embora não contemple os padrões de segurança necessários, pois usa cádmio, mais perigoso que o chumbo. E claro, testes foram feitos para o uso de células de cádmio evitando que eles vazem mesmo em caso de incêndios, onde cada célula suportou até 1000°C de exposição.

Um fóton do sol transfere energia para um elétron fazendo ele soltar-se de um átomo e deixando um buraco. O elétron e o buraco se movem em direção de eletrodos opostos criando uma corrente elétrica

Um fóton do Sol transfere energia para um elétron fazendo ele soltar-se de um átomo e deixando um buraco. O elétron e o buraco se movem em direção de eletrodos opostos criando uma corrente elétrica. Clique para ampliar. Sivaram et al, 2015

No caso de células de perovskita é possível conseguir chumbo a partir de baterias de carro recicladas. Cada bateria de carro poderia produzir cerca de 700 metros quadrados de células de perovskita aumentando sua eficiência em 20%, o equivalente a produção de energia elétrica para 30 casas em um clima quente como o de Las Vegas. Uma forma alternativa é abandonar o uso de chumbo e utilizar o estanho, mas isto baixa a eficiência da perovskita uma vez que o estanho acaba induzindo a deformação da estrutura cristalina.

Pesquisadores da Universidade de Stanford e do MIT juntaram duas células de perovskita e selaram com uma de silício e elevaram em 17% a eficiência do silício. Com a perovskita sobre o silício o ganho foi de 14%. Quando a perovskita é associada a engenharia inteligente a eficiência pode ultrapassar 30%.

Em 2014, nos EUA uma instalação solar em uma residência média custava US$ 3.48 por Watt de capacidade de geração de energia elétrica, mas o custo do painel solar era de apenas US$ 0,72 centavos por Watt. Um painel deste de perovskita reduziria o custo de instalação por Watt e exigiria menos espaço no telhado e portanto, menos mão de obra. A perovskita pode pegar carona no mercado do silício conquistando um mercado de US$50 bilhões.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Célula Fotovoltaica, Silício, Boro, Arsênico, Perovskita, Chumbo, Estanho, Engenharia de Materiais.

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Referências

Callister Jr. W. D.; Rethwisch, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais – Uma introdução. Editora LTC. Edição 8. 2012
Rocha, J.C; Rosa, A. H; Cardoso, A. A.Introdução a química ambiental. 2ª edição. Editora Bookman. 2009
Sivaram, V.; Stranks, S. D.; Snaith, H. Superando o Silício. Scientific American Brasil. Ano 13, N° 159. Agosto 2015

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