Série Especial - O Mundo do Futuro, hoje (22) Células solares e os novos paradigmas

Célula solar de fibra óptica pode aposentar painéis solares

Quando se fala em energia solar, a primeira imagem que surge é a de um painel solar azulado instalado sobre os telhados das casas e edifícios. Mas essa imagem poderá não ser mais corresponder à realidade no futuro, graças a uma pesquisa realizada no Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos Estados Unidos.

Os cientistas criaram um novo tipo de sistema fotovoltaico tridimensional que poderá ficar embutido em qualquer ponto da casa ou edifício, utilizando fibras ópticas para coletar a luz do Sol.

Partindo de fibras ópticas comuns, do tipo usado em telecomunicações, os pesquisadores criaram nanoestruturas de óxido de zinco em sua superfície, formando uma camada extremamente fina, sobre a qual foram aplicados corantes fotoquímicos utilizados nas células solares orgânicas, conhecidas como DSC (Dye-sensitized Solar Cells).

"Usando esta tecnologia, nós podemos fazer geradores fotovoltaicos que são dobráveis, carregáveis e que podem ser disfarçados nas construções," explica Zhong Lin Wang, um dos criadores das células solares 3-D. Esta mesma pesquisa já havia dado origem a um novo sistema de geração de eletricidade capaz de produzir energia a partir dos movimentos do corpo humano.

Na célula solar tridimensional, a fibra óptica capta a luz do Sol e a conduz até o local onde as nanoestruturas podem convertê-la em eletricidade. Desta forma, o gerador fotovoltaico propriamente dito não precisa ficar exposto ao Sol.

As células solares orgânicas (DSC) usam um sistema fotoquímico para gerar eletricidade. Elas são flexíveis e baratas de se fabricar, mas possuem uma eficiência bastante inferior à das células fotovoltaicas de silício.

A equipe do Dr. Wang demonstrou que a utilização das nanoestruturas irregulares de óxido de zinco aumenta enormemente a área disponível para que os corantes fotoquímicos convertam a luz em energia, eliminando a desvantagem da baixa eficiência das células DSC.

A fibra óptica utilizada é inicialmente descascada, expondo o seu núcleo de cristal, sobre o qual é aplicada uma cobertura condutora. Sobre esta superfície são cultivados minúsculos pilares de óxido de zinco, deixando a fibra óptica parecida com uma escova de limpeza. Os nanofios são finalmente recobertos com o material fotoquímico, o verdadeiro responsável pela conversão da luz solar em eletricidade.

Os fótons que entram pela fibra óptica passam através dos nanofios e atingem as moléculas do corante. Os elétrons gerados - a energia elétrica - são captados por um eletrólito líquido colocado entre os pilares de óxido de zinco.

O resultado é um sistema híbrido que pode ser até seis vezes mais eficiente do que as células de óxido de zinco planares com a mesma área superficial. "Em cada reflexão no interior da fibra, a luz tem a oportunidade de interagir com as nanoestruturas que estão recobertas com as moléculas de corante," explica o Dr. Wang. "Com múltiplas reflexões da luz no interior da fibra, e múltiplas reflexões no interior das nanoestruturas, aumenta muito a chance de que o fóton interaja com as moléculas fotoquímicas, aumentando a eficiência da célula."

Os pesquisadores fabricaram protótipos da célula solar com fibra óptica de até 20 centímetros de comprimento, que apresentaram uma eficiência de 3,3%. Eles afirmam que é possível alcançar de 7 a 8% de eficiência apenas com o aprimoramento da deposição das nanoestruturas. E a eficiência aumenta também conforme o tamanho da fibra.

No próximo passo da pesquisa serão adicionados novos incrementos, como um método melhor de captar as cargas elétricas, substituindo o eletrólito líquido, e a aplicação de uma superfície de óxido de titânio, que poderá ampliar ainda mais a eficiência da célula solar 3-D.

Novo processo produtivo cria células solares por um quarto do preço
Energia solar é tudo de bom, dizem em coro cientistas, ambientalistas e especialistas em energia. Mas ela é cara, respondem os consumidores. De fato, as placas fotovoltaicas têm um custo elevado. E mesmo em termos globais, levando em conta toda a matriz energética, elas são caras - são necessários dois anos de operação de um painel solar para que ele produza a energia gasta em sua fabricação.

Como baratear a energia solarBaratear a energia solar é um objetivo que pode ser alcançado por duas vias: aprimoramentos tecnológicos nas células solares, que as tornem mais eficientes pelo mesmo custo, ou aprimoramentos nos processos de fabricação, que as tornem mais baratas mesmo mantendo o nível atual de eficiência.

A primeira via é um processo contínuo, que temos acompanhado dia-a-dia em nossas notícias sobre energia solar. A segunda é mais rara, porque envolve indústrias já instaladas - um eventual novo processo produtivo poderia representar nada menos do que a necessidade de construção de novas fábricas. E adeus economia de custos.

Mas agora, pesquisadores europeus acharam uma nova solução para atuar no processo produtivo e torná-lo mais simples e mais barato. As primeiras projeções mostram que pode ser possível fabricar as mesmas células solares fotovoltaicas vendidas no comércio a um custo que é apenas um quarto do atual. Ou seja, seria possível recuperar toda a energia gasta na fabricação do painel solar em apenas seis meses.

As células solares fotovoltaicas são semicondutores, construídos com a mesma tecnologia usada para a fabricação dos processadores de computador, utilizando materiais ultra puros - e caros. Os cientistas agora descobriram uma forma de fabricar essa matéria-prima - cristais de silício conhecidos como silício grau solar - de forma mais simples. Ainda que o cristal resultante não seja puro o suficiente para a fabricação de um microprocessador, ele é mais do que suficiente para fazer uma excelente célula solar.

"Nós começamos com o silício metálico, que contém cerca de 1% de impurezas, totalmente inadequado para ser usado na fabricação de células solares. Nós conseguimos, de um lado, reduzir as impurezas no silício metálico e, de outro, retirar as impurezas que já estão na matéria-prima, utilizando tratamento térmico," explica a Dra. Marisa Di Sabatino, coordenadora de um enorme grupo de pesquisadores, de várias instituições, que se agregaram em torno do projeto Foxy.

Partindo de uma matéria-prima totalmente bruta - chamada silício grau metalúrgico, usado para fazer ligas metálicas - os pesquisadores tiveram que desenvolver um novo sistema de fundição e um novo forno capazes de remover os traços de carbono no silício. O novo processo, que é muito menos intensivo em energia do que o processo tradicional, utiliza carbono puro, que contamina o silício muito menos do que o carvão ou o coque.

Foi criada também uma nova técnica de passivação - um processo de tratamento térmico de alta temperatura que protege a superfície das células solares, tornando-as mais eficientes e mais resistentes às intensas variações de temperatura a que estarão sujeitas.

E, já que estavam reinventando tudo, os cientistas perceberam que também poderiam melhorar a montagem das células solares nos painéis. Hoje elas têm os seus pólos positivo e negativo unidos horizontalmente. Aos conectá-los verticalmente, os pesquisadores ganharam espaço no painel, permitindo a deposição de mais células solares e criando um painel solar que produzirá mais energia por área, além de diminuir o índice de falhas no processo produtivo.

Os cientistas do projeto Foxy já fabricaram os primeiros painéis solares em escala real, utilizando integralmente o novo processo. Os resultados foram encorajadores - os painéis são mais robustos e tão eficientes quanto os disponíveis atualmente."Só que serão muito mais baratos quando forem fabricados em escala industrial," acentua a Dra. Marisa.Segundo ela, ainda há espaço para melhorias.

As pastilhas de silício geradas com o novo processo têm espessura de 180 a 200 micrômetros, mas os estudos indicam que eles podem ter a metade dessa espessura sem qualquer perda de eficiência. A economia de metade da cara matéria-prima poderá resultar em painéis solares ainda mais baratos.

A tecnologia foi patenteada e já conta com oito parceiros da indústria que se candidataram para uma nova fase do projeto, quando a tecnologia será preparada para passar da fase piloto para a fase industrial.

Célula solar de nanotubo de carbono aproxima-se da eficiência máxima

Pesquisadores da Universidade de Cornell, nos Estados Unidos, demonstraram o princípio de funcionamento de um novo tipo de célula solar que substitui o silício por nanotubos de carbono. Em teoria, estas células solares de nanotubos poderão ser mais eficientes do que as células solares atuais, podendo superar não apenas as células solares orgânicas - que possuem carbono em sua composição em moléculas que não são nanotubos - mas também as células solares tradicionais à base de silício.

Os cientistas construíram um fotodiodo, um tipo extremamente simples de célula solar que converte a luz em eletricidade de forma extremamente eficiente graças à excepcional condutividade elétrica do nanotubo de carbono e à forma como ele conduz os elétrons.
O nanotubo de carbono utilizado é do tipo de parede única, o que significa que ele é basicamente uma folha de grafeno enrolada, constituindo um tubo cujas paredes são formadas por uma única camada de átomos de carbono.

O nanotubo, com a dimensão aproximada de uma molécula de DNA, foi preso entre dois contatos elétricos e posto próximo a duas portas elétricas, uma com carga positiva e outra com carga negativa.

Dirigindo feixes de raios laser de diversas cores ao longo do nanotubo, os cientistas descobriram que altos níveis de incidência de fótons têm um efeito multiplicador sobre a quantidade de eletricidade que é produzida pelo fotodiodo.

Como o nanotubo é muito estreito, ele praticamente força os elétrons a andarem em fila indiana. Nessa situação, os elétrons atingem um estado denominado "excitado", o que lhes permite gerar novos elétrons a partir dos fótons da luz incidente que seriam desperdiçados em uma célula solar convencional. Isto faz com que a célula solar de nanotubo de carbono funcione em um regime praticamente ideal, convertendo quase toda a radiação da luz em eletricidade.

A elevada taxa de conversão significa que a nova célula solar não perde quase nenhuma energia na forma de calor, eliminando o problema do superaquecimento. Contudo, o próprio experimento foi feito em uma temperatura extremamente baixa.

Embora o novo dispositivo tenha sido demonstrado, construi-lo em grandes quantidades esbarrará nas mesmas dificuldades encontradas em várias outras pesquisas nas quais os nanotubos de carbono são promissores. Como são muito pequenos, ainda não existe tecnologia capaz de permitir sua fabricação em série de forma controlada. A montagem das células solares, que exigirá a manipulação de nanotubos individuais, é outro desafio a ser vencido.

Estas dificuldades, contudo, não tiram o mérito da pesquisa, que demonstrou um fenômeno novo que, ao ser explorado por novas pesquisas, poderá levar a novos melhoramentos e, eventualmente, a um tipo de célula solar mais eficiente e que possa ser fabricada em larga escala.