A energia solar é a energia mais barata, e um momento literal de lâmpada nos mostrou que podemos reduzir ainda mais os custos

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Dentre as fontes de energia renováveis, a mais barata é a energia solar fotovoltaica (PV). E nossa pesquisa recém-publicada aponta para uma maneira de reduzir ainda mais os custos da mudança usando formas mais baratas de silício para painéis solares altamente eficientes.

A Austrália vem liderando o caminho com instalações solares fotovoltaicas, mas nossa jornada de energia solar está apenas começando. Este ano, a humanidade atingiu um marco de 1 terawatt (TW) – 1 milhão × 1 milhão de watts – de capacidade solar instalada. No entanto, os especialistas preveem que 70 TW de energia solar fotovoltaica podem ser necessários até 2050 para alimentar todos os setores da economia.

Para ajudar a impulsionar essa rápida absorção de energia solar fotovoltaica, precisamos de painéis solares de alta eficiência e baixo custo. Nos últimos dez anos, alguns novos projetos de células solares levaram a altas eficiências recordes. O problema é que esses projetos também precisam de materiais de alta qualidade, que custam mais.

Nossa pesquisa recente sugere que podemos repensar o tipo de silício necessário para fabricar essas células solares de alta eficiência.

GenCost 2021-22 da CSIRO Austrália. Wind+Solar mais barato, mesmo com custos adicionais de transmissão e armazenamento por uma grande margem. Verdadeiro mesmo em caso de 90% renovável variável.

Nem todo silício é igual

Mais de 95% dos painéis solares são feitos de silício. O silício usado para fazer células solares é semelhante ao usado em chips de computador. É efetivamente areia muito pura.

Para fazer uma célula solar funcionar, precisamos formar um campo elétrico para que a corrente gerada possa fluir em uma direção. Isso é feito adicionando átomos de impureza ao silício, um processo conhecido como “doping”.

Na fabricação de painéis comerciais, o tipo de silício mais comumente usado é o silício “tipo-p”. Esse material é dopado com átomos que possuem um elétron a menos que o silício, como o boro ou, mais recentemente, o gálio.

Podemos então introduzir uma camada muito fina na superfície cheia de átomos com um elétron extra em relação ao silício, que é chamado de silício “tipo n”. Colocar esses dois tipos de silício juntos forma o que é chamado de “junção p-n”. A enorme diferença no número de elétrons entre a região do tipo p e a região do tipo n força os elétrons a se moverem rapidamente, criando um campo elétrico que impulsiona a corrente em nossa célula solar.

Painéis solares convencionais em telhados australianos hoje são feitos predominantemente usando silício tipo p, pois é cerca de 10% mais barato que o silício alternativo “tipo n”, dopado com fósforo.

A partir de hoje, a maior eficiência de laboratório de células solares monocristalinas é de 26,7%.

Maior eficiência tem um custo

Os pesquisadores estão continuamente pressionando para aumentar a eficiência dos painéis solares para que possam gerar mais energia para os consumidores. Em 2017, uma eficiência recorde de 26,7% foi alcançada para uma célula solar de silício. No mês passado, a LONGi Solar anunciou uma eficiência de 26,5% – muito próxima do recorde mundial – para o mesmo tipo de célula solar feita em ambiente de fabricação, e não em laboratório.

Esse tipo de célula solar é chamado de “heterojunção de silício”. O elemento especial das células solares de heterojunção de silício é que a superfície é coberta com uma camada muito fina – cerca de 1.000 vezes mais fina que um fio de cabelo humano – de silício amorfo. Esta fina camada suaviza a superfície e reduz muito as perdas de energia.

A Sanyo desenvolveu esse design de célula na década de 1990. Na época, pastilhas de silício tipo n de alta qualidade eram usadas para fazer células de heterojunção de silício, embora essas pastilhas fossem mais caras.

A principal razão para isso é que a luz solar degrada wafers do tipo p mais baratos. No entanto, nossa compreensão desse fenômeno e como tratá-lo percorreu um longo caminho desde a década de 1990.

Nosso momento de lâmpada

Nos últimos 30 anos, todas as células solares de heterojunção de silício, incluindo as células recordistas, foram feitas usando pastilhas de silício do tipo n. Em nosso projeto de pesquisa, queríamos testar se wafers mais baratos do tipo p também poderiam ser usados.

Através de testes abrangentes, descobrimos que as células solares de heterojunção feitas com silício do tipo p não tiveram um desempenho tão bom. Ficamos intrigados com isso. Mas um dia tivemos um momento literal de lâmpada.

Percebemos que a exposição acidental à iluminação da sala por apenas dez segundos antes do teste reduziu a voltagem das células do tipo p em até 30mV, o que pode reduzir sua eficiência em um ponto percentual (ou seja, de 22% para 21%). Isso estava fazendo com que nossas células tivessem um desempenho muito pior do que o esperado. Assim como alguém que tem alergias graves é mais sensível ao pólen na primavera, percebemos que essas células solares de heterojunção de silício de alta eficiência feitas com pastilhas do tipo p são muito mais sensíveis à degradação induzida pela luz.

Problema identificado, agora temos a solução

Acreditamos que essa observação seja a razão pela qual as células de alta eficiência só foram exploradas anteriormente usando silício caro. Pesquisadores anteriores desconheciam a sensibilidade dos wafers do tipo p para se degradar e não tinham o conhecimento para superá-lo.

Felizmente, agora sabemos que a ligação de boro e oxigênio indesejado na pastilha de silício causa essa degradação. Os tratamentos com um laser de alta intensidade demonstraram estabilizar as células em questão de segundos.

A iluminação a laser pode tornar o hidrogênio, que já está flutuando no silício, mais móvel para se movimentar e “passivar” os defeitos indesejados de boro-oxigênio. Exatamente como o hidrogênio faz isso ainda é uma área ativa de pesquisa, mas sabemos que resolve o problema. Nossa pesquisa confirma que um tratamento a laser curto pode estabilizar o desempenho de células solares de heterojunção de silício do tipo p.

Armados com esse novo conhecimento, podemos desenvolver ainda mais tecnologias de alta eficiência com matérias-primas mais baratas. Isso reduzirá o custo de cada watt de eletricidade solar produzido. Em março deste ano, o fabricante de painéis solares LONGi Solar anunciou uma eficiência de 25,47% para uma célula solar de heterojunção de silício feita com wafers do tipo p.

Ver fabricantes produzindo células solares de alta eficiência potencialmente mais baratas significa que nossas descobertas têm um impacto tangível na indústria. A redução dos custos das células solares fornecerá eletricidade mais barata a milhões de consumidores ao mesmo tempo em que aborda as mudanças climáticas.

Publicado em 03/08/2022 10h28

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