O que está impedindo a adoção em massa das células solares de perovskita?

O que há de especial nas células solares de perovskita?

As células solares de perovskita são uma classe jovem de dispositivos fotovoltaicos que atraíram instantaneamente a atenção no campo da energia renovável. Seu nome deriva de uma estrutura cristalina comum em um grande número de minerais. Essas novas células absorvem fortemente a luz e a convertem efetivamente em eletricidade com alta eficiência de conversão de energia. Muitos grupos demonstraram eficiências de conversão de energia competitivas e até mesmo superiores às das células solares de silício tradicionais. Sua promessa vem da composição química simples e do baixo custo de seus materiais.

Essas células solares despertaram interesse porque oferecem uma nova abordagem. Suas propriedades as tornam adequadas para integração em diferentes ambientes. No laboratório, as células solares de perovskita foram cultivadas por meio do processamento de soluções em baixa temperatura. A mesma técnica pode permitir a impressão rolo a rolo em substratos flexíveis. Esse processo é semelhante à impressão de jornais, o que abre caminho para uma produção econômica. Em muitos casos, essas células podem ser feitas em plástico em vez de vidro rígido. Isso abre muitas aplicações, desde fotovoltaicos integrados a edifícios até eletrônicos portáteis. No entanto, ainda há desafios sobre como produzir esses filmes de forma confiável em grande escala.

Principais benefícios das células solares de perovskita

Entre muitas outras vantagens, as células solares de perovskita possuem vários benefícios exclusivos em relação às tecnologias de células solares convencionais.

- Alta eficiência de conversão de energia: Elas apresentam eficiência de conversão equivalente às células baseadas em silício. Em alguns testes de laboratório, essas células atingiram eficiências próximas a 25%.

- Baixo custo de fabricação: Métodos de processamento de soluções e técnicas rolo a rolo podem ser usados durante o processo de produção. O consumo de energia e o desperdício de material podem ser reduzidos com esse processo em comparação com a fabricação de silício em alta temperatura.

- Design flexível e leve: As camadas finas e flexíveis tornam-nas adequadas para inclusão em materiais de construção e eletrônicos portáteis. Um exemplo disso é o fato de as camadas de perovskita já terem sido testadas em janelas e superfícies curvas, indicando a facilidade com que podem se adaptar a muitas condições exclusivas.

- Alta absorção e propriedades de bandgap ajustáveis: O material de perovskita pode ser projetado facilmente para absorver uma ampla faixa do espectro solar. Isso melhora o desempenho em diferentes condições de luz.

Essas vantagens mantiveram as células solares de perovskita no centro das atenções de pesquisadores, investidores e indústrias. Elas oferecem o tipo de benefícios que as tecnologias tradicionais de células solares às vezes não conseguem igualar. Seu impacto potencial é grande, considerando a redução dos custos de produção e a aplicação das células em diversos cenários.

Principais desafios no aumento de escala das células solares de perovskita

Apesar das vantagens promissoras, o aumento da escala das células solares de perovskita para uso no mercado de massa é bastante prejudicado por vários desafios.

- Estabilidade e durabilidade: Um dos desafios mais discutidos é que, sob estresse ambiental, as células solares de perovskita se degradam. A presença de umidade, altas temperaturas e luz ultravioleta tende a reduzir sua vida útil. O problema da degradação é semelhante ao que acontece em muitos materiais sensíveis que não atingiram níveis de produção maduros.

- Toxicidade do chumbo: A maioria das células solares de perovskita contém chumbo. Isso gera preocupação ambiental e representa um risco caso o chumbo vaze para os ecossistemas. A implicação do uso de chumbo é um cuidado extra na produção, operação e eventual reciclagem das células.

- Reprodutibilidade e uniformidade: é um desafio produzir filmes de perovskita de grande área com a mesma qualidade. No laboratório, dispositivos menores apresentam resultados muito promissores. Entretanto, quando os pesquisadores tentam preparar filmes maiores e uniformes, eles geralmente apresentam defeitos e variações no desempenho.

- Desafios de fabricação: A integração das células solares de perovskita nas linhas de fabricação existentes não é uma tarefa fácil. Os novos procedimentos que são viáveis no laboratório precisam ser adaptados para a produção industrial. O desempenho consistente em larga escala continua sendo um grande desafio para os fabricantes.

Esses desafios indicam a razão pela qual as células solares de perovskita, embora promissoras, ainda não alcançaram uma ampla implantação comercial. Cada um desses pontos exige pesquisas e testes sérios antes que a tecnologia saia do laboratório.

Barreiras tecnológicas e comerciais

O caminho para a adoção no mercado de massa está repleto de desafios técnicos e de mercado.

- Progresso limitado na estabilidade operacional de longo prazo: Embora os desempenhos de curto prazo nos laboratórios sejam impressionantes, as instalações no mundo real exigem que as células solares funcionem de forma eficaz por décadas. Ainda há muito trabalho a ser feito para garantir a confiabilidade a longo prazo.

- Problemas com o aumento de escala do processamento de soluções para dispositivos de grande área: Os processos que estão proporcionando alta eficiência em nível de pequena escala não são facilmente escalonáveis para painéis muito maiores. Essa lacuna é uma das maiores barreiras para as empresas que buscam investir na produção em larga escala.

- Produção em larga escala - custo versus compensação de desempenho: o desempenho deve ser ponderado em relação ao custo de produção. Na prática, as melhorias na estabilidade e na eficiência podem envolver custos mais altos. Esse é o importante equilíbrio que dará às células uma vantagem competitiva em relação às tecnologias estabelecidas.

- Falta de infraestrutura na comercialização: Ainda não há uma cadeia de suprimentos totalmente desenvolvida ou uma instalação de produção dedicada a essas novas células solares. Essa lacuna afeta o ritmo em que as células podem ser integradas aos mercados solares estabelecidos. Os setores e os investidores estão esperando por uma demonstração mais robusta de maturidade tecnológica.

Esses desafios refletem a razão pela qual tanto o setor acadêmico quanto o industrial têm cuidado com o processo de comercialização das células solares de perovskita. O progresso deve ser gradual; cada desafio deve ser gerenciado com cuidado para criar confiança na tecnologia.

Soluções e avanços em potencial

Não há uma resposta única para os problemas de aumento de escala enfrentados pelas células solares de perovskita. Vários aprimoramentos estão sendo buscados pelos pesquisadores para superar os desafios.

Várias técnicas, como encapsulamento e aditivos, foram implementadas para tornar a camada de perovskita resistente à umidade e à temperatura. Por exemplo, o filme de proteção protegeria as camadas ativas do estresse ambiental.

- Alternativas não tóxicas para perovskitas à base de chumbo: A substituição do chumbo por elementos menos tóxicos está em andamento. Os candidatos em estágio inicial usam estanho ou outros metais. Em geral, essas alternativas de segunda geração precisam manter a alta eficiência e, ao mesmo tempo, garantir uma redução considerável dos riscos ambientais.

- Avanços em tecnologias de impressão e técnicas de fabricação em escala: Novos métodos de impressão e processos rolo a rolo estão sendo aperfeiçoados. Várias linhas piloto mostraram que é possível imprimir dispositivos de grande área com desempenho consistente.

- Perovskitas híbridas e células solares em tandem: O uso de perovskitas em conjunto com outros materiais em tandem tem o potencial de proporcionar estabilidade e maior desempenho. Alguns protótipos de dispositivos já demonstram que isso pode ser alcançado com uma abordagem em camadas para combinar os recursos de diferentes materiais.

A pesquisa está avançando constantemente, com cada novo estudo levando as células solares de perovskita um passo mais perto de atender ao conjunto de critérios técnicos e comerciais. O trabalho é bem informado e cuidadoso, equilibrando a inovação com considerações de segurança e custo. Para obter mais informações sobre células solares de perovskita, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Perguntas frequentes

F: Qual é a principal vantagem das células solares de perovskita?

Elas têm a vantagem da alta eficiência e do baixo custo e, por isso, encontram aplicações em vários campos.

F: Qual é o maior desafio para aumentar a escala de sua produção?

Garantir a estabilidade e a uniformidade a longo prazo na fabricação em grandes áreas continua sendo um dos principais desafios.

F: Existem maneiras de reduzir a toxicidade do chumbo nas células de perovskita?

P: Sim, há pesquisas sobre alternativas não tóxicas e técnicas de estabilização para lidar com os riscos ambientais.

Referências:

[1] Mahapatra, Apurba & Prochowicz, Daniel & Tavakoli, Mohammad & Trivedi, Suverna & Kumar, Pawan & Yadav, Pankaj. (2019). A Review on the Aspects of Additive Engineering in Perovskite Solar Cells (Uma revisão sobre os aspectos da engenharia de aditivos em células solares de perovskita). Journal of Materials Chemistry A. 8. 10.1039/C9TA07657C.