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As células solares de silício são uma tecnologia estabelecida para a geração de eletricidade a partir do sol. Mas eles consomem muita energia para serem produzidos, são rígidos e podem ser frágeis.
No entanto, uma nova classe de célula solar está igualando seu desempenho. Além disso, agora pode ser impresso usando tintas especiais e enrolado de forma flexível em superfícies irregulares.
Desenvolvemos a primeira célula solar rolável e totalmente imprimível do mundo feita de perovskita, um material que é muito mais barato de produzir do que o silício. Se também pudermos melhorar sua eficiência, isso aponta para a possibilidade de fabricar células solares mais baratas em uma escala muito maior do que nunca.
As células solares de silício que são tão reconhecíveis para nós têm uma limitação significativa. Se fosse feito o suficiente para atender às nossas necessidades, poderíamos esgotar os materiais para produzi-los até 2050. Portanto, precisamos de algo novo e em grande quantidade. A célula solar de perovskita está surgindo para preencher essa lacuna.
AlyoshinE/Shutterstock
A perovskita é uma estrutura cristalina feita com componentes inorgânicos e orgânicos, batizada em homenagem a Lev Perovski, um especialista em minerais russos dos séculos XVII e XVIII.
As células solares de perovskita apareceram pela primeira vez em laboratórios de pesquisa em 2012 e chamaram a atenção dos pesquisadores devido a dois fatores: sua capacidade de converter luz solar em eletricidade e o potencial de criá-las a partir de uma combinação de tintas.
Em laboratórios de pesquisa, usando métodos de produção altamente controlados em ambientes onde o oxigênio e a água são completamente removidos, as células solares de perovskita agora podem igualar a geração de eletricidade das células solares de silício. Esta é uma conquista notável.
Mas células solares de perovskita baratas que eliminam o silício ainda precisam ser fabricadas em escala comercial. E se esses materiais pudessem ser produzidos usando os mesmos tipos de processos que usamos para imprimir embalagens comuns?
Universidade de Swansea, Autor fornecido
Meus colegas e eu demonstramos recentemente que um rolo de filme plástico pode ser carregado em uma impressora, e células solares de perovskita em funcionamento surgem na outra extremidade. No entanto, não é tão simples quanto despejar tinta na impressora de mesa.
Por um lado, os cientistas descobriram que, para atingir eficiências recordes, as camadas de semicondutores e perovskita nesta nova forma de célula solar devem ser extremamente finas – entre 50 e 500 nanômetros (cerca de 500 vezes menores que um fio de cabelo humano).
Além disso, as tintas usadas para imprimi-los exigiam solventes altamente tóxicos. Mas, depois de muitos anos de esforço, agora formulamos tintas sem solventes tóxicos que são compatíveis com o processo de revestimento slot-die – uma técnica industrial estabelecida originalmente usada para a produção de filmes fotográficos.
Como nossa célula solar funciona
A camada de perovskita impressa gera elétrons livres a partir da energia fornecida pela luz que a atinge. O semicondutor evita que a perovskita reabsorva esses elétrons com uma boa eficiência de conversão de energia (a relação entre a entrada de energia óptica e a saída de energia elétrica).
Um problema permaneceu: como extrair a carga elétrica. No passado, isso era conseguido aquecendo o ouro no vácuo até que evaporasse e capturando o vapor na célula solar de perovskita para formar eletrodos.
Adotamos uma abordagem diferente, criando uma tinta de carbono compatível tanto com o material perovskita quanto com o processo de revestimento slot-die. O resultado são grandes volumes de células solares flexíveis e roláveis que saem da impressora prontas para gerar energia.
Mais trabalho necessário
As células solares de perovskita demonstraram alto desempenho em laboratórios de pesquisa e agora provaram ser capazes de dar o salto para a fabricação de alto volume. Mas o trabalho ainda não está totalmente concluído.
A eficiência de conversão de energia de 10% alcançada por essas células impressas roláveis é útil e maior do que os primeiros painéis de silício comerciais. Mas fica atrás da eficiência de conversão típica de 17% dos painéis solares domésticos em uso hoje.
Sabemos que há mais aumentos disponíveis aproveitando a química de perovskita de alto desempenho.
Há um desafio de engenharia a ser superado para que os painéis solares de perovskita produzidos comercialmente em alto volume possam corresponder à geração de energia do silício. Melhorias adicionais na estabilidade da vida útil das células solares de perovskita também são necessárias – por meio de uma combinação de química, design de dispositivos e outras estratégias, como revestimentos protetores e filmes de barreira laminados.
Em suma, a pesquisa precisa se concentrar em converter o que está acontecendo nos laboratórios em dispositivos do mundo real. Mas a possibilidade de produzir centenas de milhares de metros quadrados de células solares de perovskita flexível está agora um passo mais perto.
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