o sol emite energia suficiente na terra a cada segundo para satisfazer toda a demanda de energia humana por mais de duas horas. Dado que está prontamente disponível e renovável, a energia solar é uma fonte atraente de energia. No entanto, a partir de 2018, menos de dois por cento da energia do mundo veio da energia solar. Historicamente, a colheita de energia solar tem sido cara e relativamente ineficiente. Mesmo esse escasso uso solar, no entanto, é uma melhoria em relação às duas décadas anteriores, já que a quantidade de energia coletada da energia solar em todo o mundo aumentou mais de 300 vezes de 2000 a 2019. Novos avanços tecnológicos nos últimos vinte anos impulsionaram esse aumento da dependência da energia solar, diminuindo os custos, e novos desenvolvimentos tecnológicos prometem aumentar esse uso solar, diminuindo ainda mais os custos e aumentando a eficiência do painel solar.
Células Solares: Custos, desafios e Design nos últimos 20 anos, os custos associados às células solares, as estruturas capazes de converter energia luminosa em eletricidade, têm diminuído constantemente. O National Renewable Energy Laboratory, um laboratório do governo dos EUA que estuda a tecnologia de células solares, estima contribuintes para a crescente acessibilidade da energia solar. Eles estimam que os custos rígidos, os custos do hardware físico da célula solar e os custos leves, que incluem mão de obra ou custos para obter as licenças governamentais necessárias, são quase iguais (Figura 1). Os custos leves diminuíram porque há mais consumidores em potencial e mais especialistas em instalação para novas células solares, para que as empresas possam produzir células solares a granel e instalá-las facilmente. Os custos difíceis são menos da metade do que eram no ano 2000, principalmente devido à diminuição dos custos de material e ao aumento da capacidade das células de capturar luz. A engenharia de células solares mais econômicas e eficientes exigiu uma consideração cuidadosa da física envolvida na captura solar, além de um design inovador.
Figura 1: custos associados à energia solar. As células solares se tornam menos caras quando o custo do trabalho e dos materiais usados para construí-las diminui ou quando se tornam melhores em transformar a luz que entra em eletricidade.
como as células solares são usadas para converter luz em eletricidade, elas precisam ser compostas de algum material que seja bom em capturar energia da luz. Este material pode ser imprensado entre duas placas de metal que transportam a eletricidade capturada da energia luminosa para onde ela é necessária, como as luzes de uma casa ou máquinas de uma fábrica (Figura 2). Escolher o material certo para capturar a luz envolve medir a diferença entre dois níveis de energia chamados de banda de Valência e Banda de condução. A banda de valência de baixa energia é preenchida com muitas pequenas partículas carregadas negativamente chamadas elétrons, mas a banda de condução de alta energia é principalmente vazia. Quando os elétrons são atingidos por partículas de luz, chamadas fótons, eles podem absorver energia suficiente para pular da banda de condução de baixa energia para a banda de valência de alta energia. Uma vez na banda de Valência, a energia extra no elétron pode ser colhida como eletricidade. É como se os elétrons estivessem sentados no fundo de uma colina (a banda de condução) e sendo atingidos por um fóton que lhes dá a energia para saltar para o topo (a banda de Valência).
a quantidade de energia necessária para os elétrons saltarem para a banda de Valência depende do tipo de material. Essencialmente, o tamanho da colina metafórica varia com base nas propriedades de um determinado material. O tamanho dessa lacuna de energia é importante porque afeta a eficiência com que as células solares convertem a luz em eletricidade. Especificamente, se os fótons atingem os elétrons com menos energia do que o elétron precisa pular da banda de Valência para a banda de condução, nenhuma energia da luz é capturada. Alternativamente, se a luz tiver mais energia do que o necessário para superar essa lacuna, o elétron captura a energia precisa de que precisa e desperdiça o restante. Ambos os cenários levam a ineficiências na colheita solar, tornando a escolha do material das células solares importante.Historicamente, o silício tem sido o material mais popular para as células solares (Figura 2). Uma razão para essa popularidade está no tamanho da lacuna entre as bandas de condução e valência do Silício, já que a energia da maioria das partículas de luz está muito próxima da energia necessária pelos elétrons do Silício para saltar a lacuna de energia. Teoricamente, cerca de 32% da energia da luz poderia ser convertida em energia elétrica com uma célula solar de silício. Isso pode não parecer muito, mas é significativamente mais eficiente do que a maioria dos outros materiais. Além disso, o silício também é barato. É um dos elementos mais abundantes na terra, e o custo de refiná-lo diminuiu drasticamente desde 1980. As indústrias de células solares e eletrônicos impulsionaram a diminuição do custo de purificação, pois aprenderam melhores técnicas de purificação em massa para impulsionar a demanda de células solares e Eletrônicos de consumo.
Figura 2: captura de energia luminosa em células solares. Quando a luz atinge uma célula solar, faz com que os elétrons saltem para uma banda de condução, permitindo que a energia da luz seja colhida. Aqui elétrons amarelos (rotulados e) se movem através dos átomos de silício (rotulados Si) na célula solar quando atingidos por um fóton.
além de diminuir os custos de material, truques de engenharia inteligentes estão empurrando a eficiência das células solares de silício para mais perto de seu máximo teórico. Para que os fótons sejam convertidos em energia, eles devem primeiro colidir com um elétron. Um truque para aumentar a probabilidade de uma colisão fóton/elétron envolve padronizar o silício nas células solares em formas microscópicas de pirâmide. Quando a luz é absorvida em uma pirâmide, ela viaja mais, aumentando a probabilidade de que a luz colida com os elétrons no silício antes de escapar da célula.Em uma tática semelhante, químicos e cientistas de materiais projetaram revestimentos anti-reflexivos para colocar na frente das células solares para evitar que a luz útil seja refletida de volta ao espaço sem nunca atingir um elétron na célula solar. Da mesma forma, colocar um refletor na parte de trás da célula solar também permite que mais luz seja colhida. A luz que atinge a célula solar e faz todo o caminho até as costas sem bater em um elétron é saltada para a frente da célula, dando à célula outra chance de coletar a luz.
atualmente, o custo das células solares à base de silício continua a diminuir e, apesar das previsões em contrário, o custo do próprio silício continua a diminuir. As células solares de silício provavelmente permanecerão populares nos próximos anos. Alternativas às células solares de silício foram desenvolvidas, mas não estão longe o suficiente para serem comercialmente viáveis.
o futuro das células solares
para superar as células solares atuais, um novo design precisaria ser capaz de capturar mais luz, transformar a energia da luz em eletricidade com mais eficiência e/ou ser menos caro para construir do que os projetos atuais. Os produtores e consumidores de energia são mais propensos a adotar energia solar se a energia que produz for igual ou menos cara do que outras formas de eletricidade, muitas vezes não renováveis, portanto, qualquer melhoria nos projetos atuais de células solares deve reduzir os custos gerais para se tornar amplamente utilizada.
a primeira opção, adicionando hardware que permite que as células solares capturem mais luz, não requer realmente que abandonemos os projetos atuais de células solares. A eletrônica pode ser instalada com a célula solar que permite que a célula rastreie o sol à medida que se move através do céu diurno. Se a célula solar estiver sempre apontando para o sol, ela será atingida por muito mais fótons do que se estivesse apenas apontando para o sol por volta do Meio-dia. Atualmente, projetar eletrônicos que possam rastrear a posição do sol com precisão e consistência por várias décadas a um custo razoável é um desafio contínuo, mas a inovação nesta frente continua. Uma alternativa para fazer a própria célula solar se mover é usar espelhos para focar a luz em uma célula solar menor e, portanto, mais barata.
outra rota para melhorar o desempenho das células solares é direcionar sua eficiência para que elas sejam melhores na conversão de energia na luz solar em eletricidade. Células solares com mais de uma camada de material de captura de luz podem capturar mais fótons do que células solares com apenas uma única camada. Recentemente, células solares testadas em laboratório com quatro camadas podem capturar 46% da energia luminosa que as atinge. Essas células ainda são muito caras e difíceis de fazer para uso comercial, mas pesquisas em andamento podem um dia tornar possível a implementação dessas células supereficientes.
a alternativa para melhorar a eficiência das células solares é simplesmente diminuir seu custo. Embora o processamento de silício tenha se tornado mais barato nas últimas décadas, ele ainda contribui significativamente para o custo da instalação de células solares. Usando células solares mais finas, os custos de material diminuem. Essas “células solares de filme fino” usam uma camada de material para colher energia leve de apenas 2 a 8 micrômetros de espessura, apenas cerca de 1% do que é usado para fazer uma célula solar tradicional. Assim como as células com várias camadas, as células solares de filme fino são um pouco complicadas de fabricar, o que limita sua aplicação, mas a pesquisa está em andamento.
no futuro imediato, as células solares de silício provavelmente continuarão a diminuir de custo e serão instaladas em grande número. Nos Estados Unidos, prevê-se que essas reduções de custos aumentem a energia solar produzida em pelo menos 700% até 2050. Enquanto isso, pesquisas sobre projetos alternativos para células solares mais eficientes e menos caras continuarão. Daqui a anos, é provável que vejamos alternativas ao silício aparecendo em nossas fazendas solares e telhados, ajudando a fornecer fontes de energia limpas e renováveis. Essas melhorias têm e continuarão a ser possíveis aumentando a fabricação em massa de células solares e novas tecnologias que tornam as células mais baratas e eficientes.Emily Kerr, estudante de Pós-Graduação em Química e Biologia Química.Abagail Burrus é uma estudante de doutorado em Biologia Organísmica e evolutiva do terceiro ano que estuda o desenvolvimento do elaióforo.
para mais informações:
Para saber mais sobre o filme fino de células solares, confira esse pedaço do MIT News
Para obter mais informações sobre a redução dos custos de células solares, consulte este artigo do MIT News
Para uma representação gráfica de como os painéis solares de trabalho, veja este artigo sobre o painel solar da composição e da ciência
Este artigo é parte de nossa SITN20 série, escrito para celebrar o 20º aniversário da SITN por comemorando mais notáveis avanços científicos das últimas duas décadas. Confira nossos outros SITN20 peças!
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