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Uma breve discussão sobre os tipos de células solares
A energia solar já foi reservada a espaçonaves avançadas e a alguns dispositivos sofisticados, mas não é mais o caso. Na última década, a energia solar deixou de ser uma fonte de energia de nicho para se tornar um pilar importante do cenário energético global.
A Terra está continuamente exposta a aproximadamente 173.000 TW de radiação solar, o que representa mais de dez vezes a procura média global de electricidade.
[1] Isso significa que a energia solar tem a capacidade de atender a todas as nossas necessidades energéticas.
No primeiro semestre de 2023, a geração de energia solar representou 5,77% da geração total de energia nos EUA, acima dos 4,95% em 2022.
[2] Embora os combustíveis fósseis (principalmente gás natural e carvão) representem até 60,4% da geração de energia dos EUA em 2022,
[3] Mas a crescente influência da energia solar e o rápido desenvolvimento da tecnologia da energia solar merecem atenção.
Atualmente, existem três categorias principais de células solares (também conhecidas como células fotovoltaicas (PV)) no mercado: cristalinas, de película fina 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. Este tipo de bateria alcançou uma eficiência superior a 26% e uma vida útil superior a 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 são necessários mais painéis e mais área.
Células solares baseados na tecnologia de arsenieto de gálio (GaAs) de múltiplas junções 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 estas células multijunções atinjam elevada eficiência, elas ainda sofrem com altos custos de fabricação e pesquisa e desenvolvimento imaturos, o que limita sua viabilidade comercial e aplicações práticas.
02 filme
A principal tendência dos produtos fotovoltaicos de película fina no mercado global são os módulos fotovoltaicos de telureto de cádmio (CdTe). Milhões desses módulos foram instalados em todo o mundo, com capacidade máxima de geração de energia superior a 30 GW. Eles são usados principalmente para geração de energia em escala de serviço público nos Estados Unidos. fábrica.
Nesta tecnologia de película fina, um módulo solar de 1 metro quadrado contém menos cádmio do que uma bateria de níquel-cádmio (Ni-Cd) de tamanho AAA. Além disso, o cádmio nos módulos solares está ligado ao telúrio, que é insolúvel em água e permanece estável a temperaturas tão elevadas como 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. Porém, é possível amenizar 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 ambiente de laboratório pode exceder 22%. [5] O uso do doping com arsênico para substituir o doping com cobre, que tem sido usado há muito tempo, pode melhorar muito a vida útil do módulo e atingir um nível comparável ao das baterias de cristal.
03Tecnologias emergentes
As tecnologias fotovoltaicas emergentes que utilizam películas ultrafinas (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 estas tecnologias se tornem concorrentes de materiais estabelecidos como o silício, o telureto de cádmio e o arsenieto de gálio.
[6]Existem três tecnologias de película fina bem conhecidas neste campo: sulfeto de cobre e zinco e estanho (Cu2ZnSnS4 ou CZTS), fosforeto de zinco (Zn3P2) e nanotubos de carbono de parede única (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 esses níveis de eficiência à escala comercial continua a ser um desafio.
[7] As células de película fina de perovskita de haleto de chumbo são uma tecnologia solar emergente atraente. A perovskita é um tipo de substância com estrutura cristalina típica de fórmula química ABX3. É um mineral amarelo, marrom ou preto cujo principal componente é o titanato de cálcio (CaTiO3). As células solares tandem de perovskita à base de silício em escala comercial produzidas pela empresa britânica Oxford PV alcançaram uma eficiência recorde de 28,6% e entrarão em produção este ano.
[8]Em apenas alguns anos, as células solares de perovskita alcançaram eficiências semelhantes às das células de película fina de telureto de cádmio existentes. Nas primeiras pesquisas e desenvolvimento de baterias de perovskita, a vida útil era um grande problema, 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 a alta eficiência de conversão (mais de 25%), baixos custos de produção e baixas temperaturas exigidas para o processo produtivo.
Construindo painéis solares integrados
Algumas células solares são projetadas para capturar apenas uma parte do espectro solar, permitindo a passagem da luz visível. 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 dos DSCs, e pode não demorar muito para que esses painéis solares estejam no mercado.
Algumas empresas infundem nanopartículas inorgânicas em camadas de vidro de policarbonato. As nanopartículas nesta tecnologia deslocam partes específicas do espectro para a borda do vidro, permitindo a passagem da maior parte do espectro. A luz concentrada na borda do vidro é então aproveitada por células solares. Além disso, a tecnologia para aplicação de materiais de película fina de perovskita em janelas solares transparentes e paredes externas de edifícios está atualmente sendo estudada.
Matérias-primas necessárias para energia solar
Para aumentar a geração de energia solar, aumentará a demanda pela mineração de matérias-primas importantes como silício, prata, cobre e alumínio. 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 ator importante neste campo, produzindo aproximadamente 70% do MGS mundial e 77% do seu fornecimento de polissilício em 2020.
O processo de conversão do silício em polissilício requer temperaturas muito altas. Na China, a energia para estes processos provém principalmente do carvão. Xinjiang possui abundantes recursos de carvão e baixos custos de eletricidade, e a sua produção de polissilício representa 45% da produção global.
[12]A produção de painéis solares consome aproximadamente 10% da prata mundial. A mineração de prata ocorre principalmente no México, China, Peru, Chile, Austrália, Rússia e Polónia e pode levar a problemas como contaminação por metais pesados e relocalização forçada de comunidades locais.
A mineração de cobre e alumínio também apresenta desafios em termos de uso da terra. O Serviço Geológico dos EUA observa que o Chile é responsável por 27% da produção global de cobre, seguido pelo Peru (10%), China (8%) e República Democrática do Congo (8%). A Agência Internacional de Energia (AIE) acredita que se a utilização global de energias renováveis atingir 100% até 2050, a procura de cobre proveniente de projectos solares quase triplicará.
[13]Conclusão
A energia solar um dia se tornará nossa principal fonte de energia? O preço da energia solar está a cair e a eficiência está a melhorar. Enquanto isso, existem muitas rotas diferentes de tecnologia solar para você escolher. Quando identificaremos uma ou duas tecnologias e faremos com que elas realmente funcionem? Como integrar a energia solar na rede?
A evolução da energia solar de especialidade para mainstream destaca o seu potencial para satisfazer e exceder as nossas necessidades energéticas. Embora as células solares cristalinas dominem atualmente o mercado, os avanços na tecnologia de película fina e nas tecnologias emergentes, como o telureto de cádmio e as perovskitas, estão a abrir caminho para aplicações solares mais eficientes e integradas. A energia solar ainda enfrenta muitos desafios, como o impacto ambiental da mineração de matérias-primas e gargalos na produção, mas afinal, é uma indústria em rápido crescimento, inovadora e promissora.
Com o equilíbrio certo entre avanços tecnológicos e práticas sustentáveis, o crescimento e o desenvolvimento da energia solar abrirão caminho para um futuro energético mais limpo e abundante. Por causa disso, apresentará um crescimento significativo no mix energético dos EUA e deverá se tornar uma solução sustentável global.