As células da próxima geração ultrapassam os limites das células atuais e acelerarão a implantação de energia solar mais barata e eficiente.

As células de energia solar ultrapassaram o marco-chave de 30% de eficiência energética, após inovações de vários grupos de pesquisa em todo o mundo. A façanha torna este um ano “revolucionário”, de acordo com um especialista, e pode acelerar o lançamento da energia solar.

Os painéis solares de hoje usam células à base de silício, mas estão se aproximando rapidamente de sua conversão máxima de luz solar em eletricidade de 29%. Ao mesmo tempo, a taxa de instalação de energia solar precisa aumentar dez vezes para enfrentar a crise climática, segundo cientistas.

A descoberta é adicionar uma camada de perovskita, outro semicondutor, no topo da camada de silício. Isso captura a luz azul do espectro visível, enquanto o silício captura a luz vermelha, aumentando a luz total capturada em geral. Com mais energia absorvida por célula, o custo da eletricidade solar é ainda mais barato, e a implantação pode ser mais rápida para ajudar a manter o aquecimento global sob controle.

As células “tandem” de perovskita-silício estão sob pesquisa há cerca de uma década, mas melhorias técnicas recentes as levaram além do marco de 30%. Especialistas disseram que, se o aumento da produção das células tandem ocorrer sem problemas, elas poderão estar disponíveis comercialmente dentro de cinco anos, aproximadamente ao mesmo tempo em que as células apenas de silício atingem sua eficiência máxima.

Dois grupos publicaram os detalhes de suas descobertas de eficiência na revista Science na quinta-feira, e pelo menos dois outros são conhecidos por terem ultrapassado os 30%.

“Este ano é um ano revolucionário”, disse o professor Stefaan De Wolf, da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah, na Arábia Saudita. “É muito emocionante que as coisas estejam se movendo rapidamente com vários grupos.”

O recorde atual de eficiência para células solares somente de silício é de 24,5% em células comerciais e 27% em laboratório. Este último pode ser o mais próximo que as células podem chegar praticamente do máximo teórico de 29%.

Mas um grupo, liderado pelo professor Steve Albrecht no Centro Helmholtz de Berlim para Materiais e Energia na Alemanha, publicou agora informações sobre como eles alcançaram eficiências de até 32,5% para células de silício-perovskita. O outro grupo, liderado pelo Dr. Xin Yu Chin, do Instituto Federal de Tecnologia de Lausanne, na Suíça, demonstrou uma eficiência de 31,25% e disse que as células tandem têm “potencial para alta eficiência e baixos custos de fabricação”.

“O que esses dois grupos mostraram são realmente marcos”, disse De Wolf. Seu próprio grupo alcançou 33,7% de eficiência com uma célula tandem em junho, mas ainda não publicou os resultados em um jornal. Todas as medidas de eficiência foram verificadas independentemente.

“Superar o limite de 30% fornece confiança de que PVs de alto desempenho e baixo custo podem ser trazidos para o mercado”, disse De Wolf. A capacidade global de energia solar atingiu 1,2 terawatts (TW) em 2022. “No entanto, para evitar os cenários catastróficos associados ao aquecimento global, a capacidade total precisa aumentar para cerca de 75TW até 2050”, disse ele.

A indústria solar também faz parte da corrida para a alta eficiência. A empresa chinesa LONGi, maior produtora mundial de células solares, anunciou em junho que havia alcançado 33,5% em suas pesquisas. “Reduzir o custo da eletricidade continua sendo o tema perpétuo que impulsiona o desenvolvimento da indústria fotovoltaica”, disse Li Zhenguo, presidente da LONGi.

“A indústria está funcionando muito, muito rápido”, disse De Wolf. “E tenho certeza de que várias empresas estão trabalhando nisso na China.” A Europa e os EUA precisam aumentar seu financiamento de pesquisa e desenvolvimento para acompanhar e contribuir para uma implantação acelerada da energia solar, disse ele.

Todas as células tandem de alta eficiência acima de 30% de eficiência são pequenas até agora, medindo 1 cm por 1 cm. Eles agora precisam ser dimensionados para o tamanho de células comerciais, que são quadrados de 15 cm ou maiores.

A expansão já está em andamento com a empresa britânica Oxford PV anunciando em maio uma eficiência recorde de 28% para uma célula de tamanho comercial. “A energia solar já é uma das formas de energia menos caras e mais limpas disponíveis, e nossa tecnologia a tornará ainda mais acessível”, disse Chris Case, diretor de tecnologia da Oxford PV.

A célula fotovoltaica Oxford foi feita usando a mesma linha de produção que já está produzindo células em tandem de tamanho comercial com 27% de eficiência em volumes crescentes. As células em tandem podem ser mais caras do que as células de silício, mas as células são apenas uma pequena parte do custo de produção e instalação de painéis solares, disse De Wolf.

Uma questão que ainda precisa ser resolvida é a rapidez com que as células em tandem se degradam com o tempo em condições do mundo real. As células solares de hoje ainda têm 80-90% de sua capacidade após 25 anos e De Wolf disse que os tandems teriam que corresponder a isso, mas que havia apenas dados limitados sobre sua estabilidade até o momento.

A chave para a maior eficiência das células em tandem dos grupos alemão e suíço foi o tratamento de pequenos defeitos na superfície da camada de perovskita. Isso permite que alguns elétrons liberados pelos fótons solares fluam de volta para a perovskita, em vez de contribuir para a corrente elétrica da célula e, portanto, reduzir sua eficiência.

A solução foi colocar uma camada de moléculas orgânicas entre a perovskita e a camada condutora por onde passa a corrente, o que compensou os defeitos.

Significativamente, todos os grupos usaram métodos diferentes para resolver o problema, dando mais opções na busca pelo melhor design comercial, disse De Wolf. “Ainda há muito espaço para ir mais longe”, disse ele. “Acredito que o limite prático está bem além de 35%.”

O professor Rob Gross, diretor do Centro de Pesquisa de Energia do Reino Unido , disse: “A energia solar já é uma maneira de baixo custo de gerar eletricidade e possui uma ampla base de recursos em todo o mundo. As reduções de custos já alcançadas são a principal razão pela qual a energia solar desempenha agora um papel tão importante em cenários de sistemas de energia descarbonizados. Melhorias na eficiência têm o potencial de aumentar a produção de energia solar e, portanto, ajudarão a reforçar esse efeito”.

Existem outras tecnologias, como células multijunção, que podem ter eficiências de até 47%, mas são muito caras de produzir e só seriam adequadas para usos de nicho, como em satélites espaciais ou quando a luz solar é altamente concentrada em células.