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Uma breve discussão sobre os tipos de células solares
A energia solar já foi reservada a naves espaciais avançadas e alguns gadgets sofisticados, mas não é mais o caso. Na última década, a energia solar se transformou de uma fonte de energia de nicho para um pilar importante do cenário energético global.
A Terra é continuamente exposta a aproximadamente 173.000 TW de radiação solar, o que é mais de dez vezes a demanda média global de eletricidade.
[1] Isto significa que a energia solar tem a capacidade de satisfazer todas as nossas necessidades energéticas.
No primeiro semestre de 2023, a geração de energia solar foi responsável por 5,77% da geração total de energia dos EUA, ante 4,95% em 2022.
[2] Embora os combustíveis fósseis (principalmente gás natural e carvão) sejam responsáveis por até 60,4% da produção de energia nos EUA em 2022,
[3] Mas a crescente influência da energia solar e o rápido desenvolvimento da tecnologia da energia solar merecem atenção.
Atualmente, há três categorias principais de células solares (também conhecidas como células fotovoltaicas (PV)) no mercado: cristalinas, de filme fino e tecnologias emergentes. Esses três tipos de baterias têm suas próprias vantagens em termos de eficiência, custo e vida útil.
01 cristal
A maioria dos painéis solares de telhados residenciais são feitos de silício monocristalino de alta pureza. Esse tipo de bateria atingiu uma eficiência de mais de 26% e uma vida útil de mais de 30 anos nos últimos anos.
[4] A eficiência atual dos painéis solares domésticos é de cerca de 22%.
O silício policristalino custa menos que o silício monocristalino, mas é menos eficiente e tem uma vida útil mais curta. Menor eficiência significa que mais painéis e mais área são necessários.
Células solarescom base na tecnologia de arsenieto de gálio multijunção (GaAs) são mais eficientes do que as células solares tradicionais. Essas células têm uma estrutura multicamadas, e cada camada usa um material diferente, como fosfeto de índio e gálio (GaInP), arsenieto de índio e gálio (InGaAs) e germânio (Ge), para absorver diferentes comprimentos de onda da luz solar. Embora se espere que essas células multijunção atinjam altas eficiências, elas ainda sofrem com altos custos de fabricação e pesquisa e desenvolvimento imaturos, o que limita sua viabilidade comercial e aplicações práticas.
02 filme
O mainstream dos produtos fotovoltaicos de película fina no mercado global são os módulos fotovoltaicos de telureto de cádmio (CdTe). Milhões desses módulos foram instalados ao redor do mundo, com uma capacidade de pico de geração de energia de mais de 30 GW. Eles são usados principalmente para geração de energia em escala de utilidade nos Estados Unidos. fábrica.
Nessa tecnologia de película fina, um módulo solar de 1 metro quadrado contém menos cádmio do que uma bateria de níquel-cádmio (Ni-Cd) tamanho AAA. Além disso, o cádmio nos módulos solares é ligado ao telúrio, que é insolúvel em água e permanece estável em temperaturas de até 1.200 °C. Esses fatores atenuam os riscos tóxicos do uso de telureto de cádmio em baterias de película fina.
O conteúdo de telúrio na crosta terrestre é de apenas 0,001 partes por milhão. Assim como a platina é um elemento raro, a raridade do telúrio pode afetar significativamente o custo de um módulo de telureto de cádmio. No entanto, é possível aliviar esse problema por meio de práticas de reciclagem.
A eficiência dos módulos de telureto de cádmio pode chegar a 18,6%, e a eficiência da bateria em um ambiente de laboratório pode exceder 22%. [5] O uso de dopagem de arsênio para substituir a dopagem de cobre, que tem sido usada há muito tempo, pode melhorar muito a vida útil do módulo e atingir um nível comparável às baterias de cristal.
03Tecnologias emergentes
Tecnologias fotovoltaicas emergentes usando filmes ultrafinos (menos de 1 mícron) e técnicas de deposição direta reduzirão os custos de produção e fornecerão semicondutores de alta qualidade para células solares. Espera-se que essas tecnologias se tornem concorrentes de materiais estabelecidos, como silício, telureto de cádmio e arsenieto de gálio.
[6]Existem três tecnologias de película fina bem conhecidas neste campo: sulfeto de cobre, zinco e estanho (Cu2ZnSnS4 ou CZTS), fosfeto de zinco (Zn3P2) e nanotubos de carbono de parede simples (SWCNT). Em um ambiente de laboratório, as células solares de seleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) atingiram uma eficiência máxima impressionante de 22,4%. No entanto, replicar tais níveis de eficiência em escala comercial continua sendo um desafio.
[7]Células de película fina de perovskita de haleto de chumbo são uma atraente tecnologia solar emergente. Perovskita é um tipo de substância com uma estrutura cristalina típica da fórmula química ABX3. É um mineral amarelo, marrom ou preto cujo principal componente é o titanato de cálcio (CaTiO3). Células solares tandem de perovskita à base de silício em escala comercial produzidas pela empresa britânica Oxford PV atingiram uma eficiência recorde de 28,6% e entrarão em produção este ano.
[8]Em apenas alguns anos, as células solares de perovskita atingiram eficiências semelhantes às das células de película fina de telureto de cádmio existentes. Na pesquisa e desenvolvimento iniciais das baterias de perovskita, a vida útil era uma grande questão, tão curta que só podia ser calculada em meses.
Hoje, as células de perovskita têm uma vida útil de 25 anos ou mais. Atualmente, as vantagens das células solares de perovskita são alta eficiência de conversão (mais de 25%), baixos custos de produção e baixas temperaturas necessárias para o processo de produção.
Construindo painéis solares integrados
Algumas células solares são projetadas para capturar apenas uma parte do espectro solar, permitindo que a luz visível passe. Essas células transparentes são chamadas de células solares sensibilizadas por corante (DSC) e nasceram na Suíça em 1991. Novos resultados de P&D nos últimos anos melhoraram a eficiência das DSCs, e pode não demorar muito para que esses painéis solares estejam no mercado.
Algumas empresas infundem nanopartículas inorgânicas em camadas de policarbonato de vidro. As nanopartículas nessa tecnologia deslocam partes específicas do espectro para a borda do vidro, permitindo que a maior parte do espectro passe. A luz concentrada na borda do vidro é então aproveitada por células solares. Além disso, a tecnologia para aplicar materiais de filme fino de perovskita em janelas solares transparentes e paredes externas de edifícios está sendo estudada atualmente.
Matérias-primas necessárias para a energia solar
Para aumentar a geração de energia solar, a demanda por mineração de matérias-primas importantes, como silício, prata, cobre e alumínio, aumentará. O Departamento de Energia dos EUA afirma que aproximadamente 12% do silício de grau metalúrgico (MGS) do mundo é processado em polissilício para painéis solares.
A China é um grande player nesse campo, produzindo aproximadamente 70% do MGS do mundo e 77% do seu suprimento de polissilício em 2020.
O processo de conversão de silício em polissilício requer temperaturas muito altas. Na China, a energia para esses processos vem principalmente do carvão. Xinjiang tem recursos abundantes de carvão e baixos custos de eletricidade, e sua produção de polissilício responde por 45% da produção global.
[12]A produção de painéis solares consome aproximadamente 10% da prata do mundo. A mineração de prata ocorre principalmente no México, China, Peru, Chile, Austrália, Rússia e Polônia e pode levar a problemas como contaminação por metais pesados e realocação forçada de comunidades locais.
A mineração de cobre e alumínio também apresenta desafios de uso da terra. O US Geological Survey observa que o Chile responde por 27% da produção global de cobre, seguido pelo Peru (10%), China (8%) e República Democrática do Congo (8%). A Agência Internacional de Energia (IEA) acredita que se o uso global de energia renovável atingir 100% até 2050, a demanda por cobre de projetos solares quase triplicará.
[13]Conclusão
A energia solar um dia se tornará nossa principal fonte de energia? O preço da energia solar está caindo e a eficiência está melhorando. Enquanto isso, há muitas rotas de tecnologia solar diferentes para escolher. Quando identificaremos uma ou duas tecnologias e as faremos realmente funcionar? Como integrar a energia solar à rede?
A evolução da energia solar de especialidade para mainstream destaca seu potencial para atender e exceder nossas necessidades energéticas. Enquanto as células solares cristalinas atualmente dominam o mercado, os avanços na tecnologia de película fina e tecnologias emergentes como telureto de cádmio e perovskitas estão abrindo caminho para aplicações solares mais eficientes e integradas. A energia solar ainda enfrenta muitos desafios, como o impacto ambiental da mineração de matéria-prima e gargalos na produção, mas, afinal, é uma indústria de rápido crescimento, inovadora e promissora.
Com o equilíbrio certo de avanços tecnológicos e práticas sustentáveis, o crescimento e o desenvolvimento da energia solar abrirão caminho para um futuro de energia mais limpa e abundante. Por isso, ela mostrará um crescimento significativo no mix de energia dos EUA e espera-se que se torne uma solução sustentável global.