Células solares de perovskita: o potencial da energia fotovoltaica transparente para edifícios modernos e projetos fotovoltaicos – Imagem: Xpert.Digital
Transição energética transparente: geração de eletricidade através de tecnologia inovadora para janelas.
Células solares de perovskita: as futuras fabricantes de janelas inteligentes.
O desenvolvimento de células solares transparentes e de alta eficiência abre novas perspectivas para a integração da energia fotovoltaica em edifícios. As células solares de perovskita, em particular, surgiram nos últimos anos como uma candidata promissora para essa aplicação. Com eficiências de até 31,6%, a possibilidade de designs transparentes e fabricação de baixo custo, elas podem revolucionar o uso da energia solar. Pesquisas atuais mostram que a estabilidade dessas células, antes problemática, foi significativamente melhorada. Aplicações como janelas inteligentes, que não apenas geram eletricidade, mas também podem ajustar sua transparência às condições ambientais, são especialmente promissoras.
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Fundamentos da tecnologia solar de perovskita
As células solares de perovskita representam um desenvolvimento relativamente recente na área da energia fotovoltaica, com pesquisas intensivas iniciadas apenas em 2009. Elas devem seu nome ao mineral perovskita, cuja estrutura cristalina característica exibem. Essas células solares são baseadas nas chamadas perovskitas de haleto, um material híbrido composto por componentes orgânicos carregados positivamente, como cátions de metilamônio, e sais metálicos inorgânicos, como iodeto de chumbo. Sua composição e estrutura únicas diferem fundamentalmente das células solares de silício tradicionais, tornando-as uma candidata promissora para o futuro da energia solar.
A funcionalidade das células solares de perovskita depende de sua excelente capacidade de converter a luz solar em energia elétrica. Cientistas do Centro de Pesquisa de Jülich descobriram, por meio de novas medições de fotoluminescência, que os portadores de carga livres nas células solares de perovskita provavelmente são excepcionalmente bem protegidos contra a degradação, o que pode ser um fator chave para sua alta eficiência. O tempo de vida dos portadores de carga excitados no material é um fator crucial para a eficiência dessas células solares, pois determina por quanto tempo os elétrons liberados pela luz permanecem disponíveis e podem contribuir para a geração de energia.
Nos últimos anos, o desenvolvimento tecnológico dessas células solares tem apresentado avanços impressionantes. Enquanto as primeiras células solares de perovskita tinham uma eficiência modesta de apenas 4%, os modelos mais recentes atingem regularmente eficiências superiores a 20%. O Instituto Fraunhofer chegou a alcançar um valor recorde de 31,6%, enquanto a empresa alemã Qcells atingiu uma eficiência de 28,6%.
Vantagens das células solares de perovskita transparentes
A característica mais notável das células solares de perovskita, em comparação com os módulos de silício convencionais, é o seu potencial de transparência aliado à alta eficiência. Essa propriedade abre possibilidades de aplicação totalmente novas, particularmente no campo da fotovoltaica integrada a edifícios. Células solares transparentes ou semitransparentes podem ser integradas em superfícies de janelas, permitindo que os edifícios não apenas deixem entrar a luz, mas também gerem eletricidade simultaneamente.
O grau de transparência pode ser ajustado durante o processo de fabricação, dependendo das necessidades, embora seja importante notar que a eficiência de conversão de energia diminui com o aumento da transparência. A maior eficiência de conversão medida para versões transparentes é atualmente de impressionantes 17,9%. O projeto de pesquisa IMPRESSIVE demonstrou que uma combinação de tecnologias pode converter energia solar com uma eficiência de 14% e uma transmitância luminosa média superior a 55%. Células de perovskita UV semitransparentes chegam a atingir uma eficiência superior a 10% com uma transmitância luminosa de aproximadamente 60%.
Além da transparência, as células solares de perovskita oferecem outras vantagens notáveis. São relativamente baratas e fáceis de fabricar, semelhantes aos módulos solares de película fina. A produção consome significativamente menos energia em comparação com o silício, já que as perovskitas podem ser produzidas usando processos simples e escaláveis, como a impressão rolo a rolo. Além disso, as matérias-primas necessárias são geralmente facilmente encontradas, o que mantém os custos de materiais baixos.
Outra vantagem crucial é a leveza e a flexibilidade das células solares de perovskita. Elas podem ser aplicadas como camadas ultrafinas em diversos substratos, expandindo significativamente suas possibilidades de aplicação. Essa propriedade possibilita aplicações inovadoras em dispositivos portáteis, veículos ou soluções fotovoltaicas integradas a edifícios, como janelas solares ou módulos de fachada.
Aplicações inovadoras na integração de edifícios
A capacidade de tornar as células solares de perovskita transparentes as torna particularmente atraentes para sistemas fotovoltaicos integrados a edifícios (BIPV), onde as células solares substituem materiais de construção tradicionais, como janelas. Incorporar a perovskita entre painéis de vidro permite que as células solares sirvam como a própria fachada e parede de um edifício, enquanto simultaneamente geram eletricidade para uso no local ou para a rede elétrica.
A Panasonic Holdings apresentou um exemplo concreto dessa aplicação inovadora, exibindo balaustradas de vidro semitransparentes com células solares de perovskita na varanda de uma casa modelo ao sul de Tóquio. Esses protótipos demonstram o potencial de integração da tecnologia de perovskita em elementos de construção do cotidiano. Físicos em Leipzig também desenvolveram uma célula solar transparente que pode ser depositada por vapor diretamente em um painel de vidro, transformando potencialmente fachadas inteiras em usinas de energia.
Os avanços na área de janelas termocrômicas ou "inteligentes" são particularmente promissores. Cientistas da Universidade da Califórnia, Berkeley, desenvolveram uma extensão funcional para uma janela fotovoltaica que muda de cor e transparência com as variações de temperatura e pode gerar eletricidade quando escurecida. A transição reversível para uma janela solar colorida baseia-se na mudança de fase de camadas ultrafinas de perovskita.
Em seu estado transparente, os cristais de perovskita existem em uma estrutura cúbica e são em grande parte transparentes, enquanto a uma temperatura de aproximadamente 105 graus Celsius eles se transformam em uma estrutura cristalina menos transparente, porém fotovoltaica. Esta bloqueia cerca de dois terços da luz visível e atinge uma eficiência de sete por cento. Quando resfriados à temperatura ambiente e expostos a alguma umidade, essa mudança de fase pode ser revertida e a janela torna-se transparente novamente.
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Propriedades termocrômicas para edifícios com clima otimizado
As propriedades termocrômicas das janelas à base de perovskita podem contribuir significativamente para a eficiência energética dos edifícios. Assim como os óculos de sol com película protetora, essas janelas podem mudar de cor com as variações de temperatura, sendo a temperatura — diferentemente da intensidade da luz nos óculos de sol — o fator determinante. À medida que a temperatura aumenta, o vidro transparente muda gradualmente de cor para amarelo, laranja, vermelho ou marrom. Quanto mais quente, mais escuro o vidro se torna, permitindo que o ambiente seja resfriado automaticamente sem a necessidade de ar-condicionado.
Esse mecanismo pode contribuir significativamente para a redução do consumo de energia para aquecimento e refrigeração. Considerando que o aquecimento e a água quente representam 25% das emissões de CO2 na Áustria, e que um estudo da Universidade de Birmingham prevê que o número de aparelhos de refrigeração em todo o mundo quadruplicará para 14 bilhões até 2050, essas soluções de janelas inteligentes podem dar uma contribuição significativa para a proteção climática.
Desafios e soluções
Apesar de suas propriedades promissoras, as células solares de perovskita enfrentam diversos desafios que, até o momento, têm limitado sua ampla aplicação comercial. Um dos principais problemas é a sua estabilidade em condições ambientais reais. Os cristais de perovskita tendem a crescer de forma desordenada e com defeitos, o que pode levar a problemas de estabilidade. Elas ainda não atingem a longevidade das células solares de silício e são sensíveis à umidade, à luz e ao calor. Uma desvantagem significativa é a sua menor resistência às intempéries, visto que o material pode se degradar sob condições climáticas extremas.
No entanto, a pesquisa já fez progressos significativos na superação desses desafios. A Panasonic, por exemplo, conseguiu produzir uma variante quimicamente mais estável do material e protegê-lo dos elementos por meio do uso de vidros duplos. O instituto de pesquisa belga Imec, parceiro do consórcio de pesquisa EnergyVille, alcançou um avanço na pesquisa sobre módulos solares de perovskita . Um estudo externo de dois anos no Chipre demonstrou a estabilidade a longo prazo dos minimódulos de perovskita, que alcançaram uma impressionante eficiência energética de 78% após um ano ao ar livre – um valor que os atuais módulos solares de perovskita geralmente conseguem manter apenas por algumas semanas.
Também houve progressos na área da reciclagem. Pesquisadores da Suécia desenvolveram um método para a reciclagem completa e ecologicamente correta de células solares de perovskita. Em vez de usar a tóxica dimetilformamida para desmontar as células, como acontecia anteriormente, a equipe utiliza água como solvente para decompor as perovskitas decompostas. Todas as peças podem então ser reutilizadas em uma nova célula solar de perovskita sem comprometer o desempenho — a célula solar reciclada tem a mesma eficiência da original.
Ainda existem desafios específicos para as janelas solares termocrômicas. A temperatura de mudança de fase relativamente alta, pouco acima de 100 graus Celsius, precisaria ser ainda mais reduzida para aplicações práticas. Além disso, a umidade necessária para a comutação reversível pode prejudicar a estabilidade a longo prazo das camadas de perovskita. No entanto, como a composição dos materiais de perovskita pode variar consideravelmente, estudos adicionais poderiam identificar misturas de materiais sem essas desvantagens e, assim, aumentar ainda mais a eficiência.
Potencial de mercado e perspectivas futuras
A combinação de flexibilidade, vantagens de custo e eficiência excepcional torna as células solares de perovskita uma tecnologia promissora para a transição energética. Pesquisadores de mercado da IDTechEx preveem que o mercado fotovoltaico de perovskita atingirá um volume de vendas anual de quase US$ 12 bilhões até 2035. Essa tecnologia poderá substituir os módulos à base de silício como a tecnologia fotovoltaica dominante no futuro.
A combinação de perovskita com silício em células tandem parece particularmente promissora, pois pode atingir eficiências de até 43% — uma melhoria significativa em relação aos módulos de silício puro. Os materiais de perovskita podem ser especificamente adaptados para utilizar com eficiência diferentes comprimentos de onda da luz solar: enquanto a perovskita absorve melhor a luz de onda curta (azul), o silício se destaca na faixa de onda longa (vermelha).
As células solares de perovskita transparentes abrem perspectivas totalmente novas para a fotovoltaica integrada em edifícios. Para substituir janelas passivas por janelas geradoras de energia o mais rápido possível, pesquisadores estão trabalhando para otimizar o desempenho dessas tecnologias e acelerar a comercialização de células fotovoltaicas transparentes. Se os desafios restantes relacionados à estabilidade e durabilidade forem superados, as janelas solares baseadas em perovskita poderão contribuir significativamente para a geração de energia descentralizada em áreas urbanas em um futuro próximo.
Transição energética urbana: Janelas geradoras de energia com tecnologia perovskita
As células solares de perovskita, especialmente suas versões transparentes para aplicações em janelas , representam uma tecnologia promissora para o futuro da energia fotovoltaica. Com sua combinação de alta eficiência, transparência, baixo custo de fabricação e flexibilidade, elas oferecem vantagens significativas em relação às células solares de silício convencionais. A capacidade de transformar fachadas de edifícios e janelas em geradores de energia sem comprometer sua função principal pode contribuir de forma crucial para a transição energética em áreas urbanas.
Os recentes avanços na melhoria da estabilidade e longevidade dessas células em condições ambientais reais são encorajadores e abrem caminho para uma aplicação comercial mais ampla. As propriedades termocrômicas de algumas janelas à base de perovskita parecem particularmente inovadoras, pois podem não apenas gerar eletricidade, mas também contribuir para a eficiência energética de edifícios, ajustando sua transparência.
Embora ainda existam alguns desafios a serem superados, o rápido desenvolvimento da tecnologia de perovskita nos últimos anos sugere que células solares transparentes e de alta eficiência poderão em breve desempenhar um papel importante na arquitetura e no fornecimento de energia. Essa tecnologia inovadora pode mudar profundamente o futuro da construção — com edifícios cujas janelas e fachadas não sejam apenas esteticamente agradáveis, mas também contribuam ativamente para o fornecimento de energia.
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