Mais um recorde de eficiência e promessa de produção comercial: o que são células tandem?

Pela primeira vez na história, uma eficiência de 30% para células solares de perovskita fabricadas sobre uma lâmina (wafer) de silício foi superada, graças a um esforço conjunto liderado por cientistas do École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) em parceria com o renomado centro de inovação Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM), ambos sediados na Suíça.

As células solares recordistas foram certificadas de forma independente pelo National Renewable Energy Laboratory (NREL) nos Estados Unidos em junho/2022 e o resultado foi divulgado na última semana no gráfico de melhores de eficiências de células fotovoltaicas do mesmo instituto (NREL, 2022).

Esses resultados são um impulso para a energia fotovoltaica de alta eficiência que vem sendo o foco de grupos de pesquisa ao redor do mundo e, segundo os desenvolvedores, “abrem caminho para uma geração de energia solar ainda mais competitiva”.

“A marca de 30% de eficiência já tinha sido alcançada com outros tipos de materiais, os semicondutores III-V, tradicionalmente usados em células fotovoltaicas para satélites. No entanto, esses materiais e os processos usados para fabricá-los são caros demais para competir em aplicações terrestres – esses dispositivos são mil vezes mais caros que as células solares de silício convencionais! Nossos resultados são os primeiros a mostrar que a barreira de 30% pode ser superada usando materiais e processos de baixo custo, o que deve abrir novas perspectivas para o futuro da tecnologia fotovoltaica”, diz Christophe Ballif, chefe do Laboratório de Fotovoltaica da EPFL e do Centro de Energia Sustentável do CSEM.

Aumentar a eficiência de células fotovoltaicas é importante por duas principais razões: (i) no curto prazo, possibilita a aplicação mais eficaz da tecnologia fotovoltaica em produtos e locais onde o espaço é limitado, como em telhados, fachadas, veículos elétricos ou até drones; e (ii) é uma forma de reduzir o custo nivelado da energia solar no longo prazo. Contudo, apesar de muito importante, a eficiência das células fotovoltaicas, está longe de ser o único ponto de aprimoramento na busca pela energia solar mais barata.

Neste artigo, iremos discutir a importância do recorde quebrado e o que ele significa para a indústria fotovoltaica, além de trazer outros pontos importantes para a maximização da geração solar e redução do custo dessa energia limpa.

Limites de Eficiência e Células Tandem

A eficiência de mais de 30% comprovada recentemente para uma célula tandem causou alvoroço na comunidade científica, com manchetes em todos os principais veículos de imprensa da área.

O assunto “perosvkitas” também tem sido extensamente explorado nos últimos anos, com promessa de eficiências recordes para o material. Mas afinal, o que são perovskitas e células tandem e o que essas tecnologias têm a oferecer de vantagens em relação às tradicionais células de silício?

As células fotovoltaicas são fundamentalmente limitadas pelos materiais de que são fabricadas, o que, por sua vez, afeta a eficiência máxima que podem alcançar. As tecnologias de célula mais adotadas até hoje têm como base o silício.

Apesar de seu sucesso, o silício tem um limite teórico de eficiência estimado em 29,4% (Niewelt et al., 2022), sendo que as eficiências atuais para células desta tecnologia estão ligeiramente abaixo de 27%, deixando uma margem pequena para ganhos de eficiência futuros.

Essa aproximação do limite prático de eficiência do silício fica ainda mais claro ao se avaliar os avanços de eficiência da tecnologia em anos recentes, sendo que o recorde atual de 26,7% foi registrado há mais cinco anos para uma célula heterojunção (HIT) (Green et al., 2017).

Na corrida para superar essa limitação, pesquisadores vêm trabalhado na adição de células fotovoltaicas complementares ao silício para formar células fotovoltaicas tandem. Nesta topologia, literalmente se “empilham” células solares; assim, a luz incidente com elevados níveis de energia é absorvida na célula superior, enquanto a luz infravermelha de baixa energia é absorvida na célula de silício colocada na parte de trás do conjunto.

Esta técnica permite um melhor aproveitamento da radiação incidente, resultando em níveis máximos de eficiência que não são mais limitados pelo material de uma ou outra parte da célula, mas sim uma combinação de ambas.

Uma analogia simples para explicar o funcionamento das células tandem são as bicicletas (tandem) com dois lugares um atrás do outro, nas quais dois ciclistas pedalam ao mesmo tempo somando forças sobre a mesma correia para melhorar o desempenho do conjunto.

As células que utilizam a estrutura de perovskita foram identificadas como um parceiro ideal para o silício nesta combinação por uma série de motivos. O primeiro deles é a eficiência de conversão destes dispositivos, que vem avançando a passos largos: os primeiros dispositivos fotovoltaicos de perovskita foram produzidos em 2009 e convertiam apenas 3,8% da energia da luz solar em eletricidade; em 2013 a eficiência máxima já era de 14,1%, enquanto o último recorde registrado foi de 25,7% ao fim de 2021 (NREL, 2022).

Células de perovskita se apresentam na forma de um filme fino flexível, que é depositado sobre um substrato, como vidro, por exemplo. Essa deposição pode ser feita sobre uma base de silício, permitindo a integração dos materiais em uma célula tandem com complexidade e custos relativamente baixos. Este processo já é realizado em laboratório, mas a sua automatização com elevada produtividade, qualidade e replicabilidade para a indústria ainda é uma barreira para a manufatura em larga escala da tecnologia.

Outra importante - e talvez a principal - vantagem do uso de perovskitas em células tandem é a possibilidade de modificar a resposta espectral destes filmes, permitindo uma otimização junto à célula de silício. O termo perovskitas no contexto de células fotovoltaicas não se refere a um material específico, mas sim a um tipo de estrutura de cristal, a qual pode ser customizada em busca de características específicas.

Alterando a composição do cristal, pode-se buscar características que permitam a melhor complementariedade possível entre os comprimentos de luz absorvidos na célula de cima da estrutura tandem (neste caso, perovskita) e na de baixo (neste caso, o tradicional silício), maximizando o aproveitamento da luz incidente e a eficiência da célula.

No contexto de células tandem perovskita/silício, o recorde quebrado representa um aumento de eficiência de 1,5% absoluto em relação ao recorde anterior de 29,8%, que datava de novembro de 2021 e pertencia ao Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB).

Antes disso, o recorde mundial era da empresa Oxford PV, sediada no Reino Unido, que em dezembro de 2020 anunciou uma eficiência de conversão de energia de 29,5% para seu dispositivo tandem de perovskita/silício. Em abril de 2022, os pesquisadores da EPFL já haviam alcançado 29,2% de eficiência para uma célula solar tandem, resultado confirmado pelo Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar ISE (Fraunhofer-ISE) da Alemanha.

Próximos passos e desafios para a tecnologia

Apesar da elevada eficiência comprovada em laboratório, a tecnologia tandem perovskita/silício ainda precisa superar algumas barreiras para chegar ao mercado fotovoltaico. Em especial, a aplicação do filme de perovskita sobre a célula de silício com a uniformidade, produtividade e qualidade necessária para a indústria, ainda é um desafio, assim como a utilização de processos e técnicas compatíveis com manufatura em larga escala.

A empresa Oxford PV, uma spin-out da Universidade da Oxford, já possui uma fábrica na Alemanha com capacidade de produção de 100 MW/ano de células com tecnologia tandem de perovskita em células de silício heterojunção (as mais eficientes até o momento). De acordo com o cofundador e diretor científico da empresa, Henry Snaith, o alvo da companhia é produzir, em um primeiro momento, células tandem perovskita/silício de tamanho M6 (166 x 166 mm) com eficiência de 27% para construção de módulos de 60 células com eficiência de 23,7%, e garantia de 25 anos.

É preciso olhar além de recordes de eficiência de células

Enquanto uma parte significativa da comunidade científica está focada em quebrar recordes e ultrapassar limites teóricos de eficiência de células fotovoltaicas em condições padrão de irradiância e temperatura, é importante lembrar que estas eficiências não se traduzem diretamente para os módulos disponíveis no mercado ou no desempenho de sistemas fotovoltaicos em condições reais de operação.

Após a fabricação de uma célula com alta eficiência em laboratório, é necessário investimento e pesquisa no desenvolvimento de processos de qualidade para a fabricação em larga escala da topologia de célula selecionada. Uma vez que as células de alta eficiência chegam ao mercado, elas ainda precisam ser integradas em módulos fotovoltaicos, os quais possuem uma série de características que podem ser otimizadas.

Um termo muito utilizado neste contexto é o cell-to-module (CMT) power ratio, ou razão de potência da célula para o módulo, que representa quanto da potência individual das células se replica em um módulo completo, o qual é hoje composto por 72 ou mais células inteiras ou 144 ou mais meias células (half-cells). Algumas das perdas que ocorrem a nível de módulo são: perdas óticas por reflexão no vidro, perdas elétricas nas conexões entre as células, entre outras.

Existem diversas arquiteturas de módulo fotovoltaico que buscam maximizar a eficiência a nível de módulo. Os módulos half-cell, que já representam uma fatia importante do mercado, buscam minimizar as perdas elétricas na interconexão das células, reduzindo a corrente que flui entre elas através da redução da área individual de cada célula.

Módulos do tipo shingled (do termo em inglês shingle, um tipo de recobrimento de telhado utilizado nos Estados Unidos) buscam reduzir o espaçamento entre as células que ficam dispostas com uma pequena sobreposição entre elas, similar a telhas em um telhado, otimizando a utilização da área do módulo e, consequentemente, melhorando a sua eficiência.

Além da otimização da eficiência em condições padrão de testes, existe ainda a possibilidade de maximizar a geração de energia de um módulo em condições reais de operação. O ganho energético de módulos bifaciais, por exemplo, não é quantificado em sua eficiência ou potência de placa, mas pode resultar em ganhos significativos na geração fotovoltaica, superando as vantagens de eficiência de algumas células monofaciais.

A qualidade e compatibilidade dos materiais utilizados na construção do módulo fotovoltaico (em inglês BOM = bill of materials) também é um ponto de melhoria, reduzindo perdas, degradação e taxa de falhas do dispositivo e aumentando sua confiabilidade e rendimento.

Os módulos fotovoltaicos ainda precisam ser agrupados formando um sistema fotovoltaico e este, independente do porte, possui diversas características que podem ser selecionadas visando a maior geração. Em especial, usinas de grande porte oferecem uma gama de parâmetros a serem otimizados, além de empregar diversos componentes e equipamentos adicionais que ainda podem ser melhorados individualmente.

Citando apenas alguns exemplos de frentes de otimização no contexto de usinas solares: a utilização de rastreadores para maximizar a incidência solar, a otimização das estruturas e algoritmos utilizados nestes rastreadores solares, o uso de múltiplos seguidores de máxima potência nos inversores, a implementação de detecção de falhas automatizada para auxiliar na operação e manutenção da usina e melhorar seu desempenho e fator de capacidade, a otimização e automatização da limpeza dos módulos fotovoltaicos, o aumento da refletividade do solo associado ao uso de módulos bifaciais, a otimização do espaçamento entre fileiras, a escolha da tecnologia fotovoltaica com características adequadas para as condições climáticas locais, e assim por diante.

Pode-se ver que estas outras etapas do desenvolvimento de módulos e sistema fotovoltaicos ainda têm margem para otimização da geração solar, muitas vezes com ganhos ordens de grandeza maiores do que os ganhos de eficiência observados em células de laboratório. Isso mostra a importância das diferentes frentes de pesquisa na área de energia solar fotovoltaica, além do papel de empresas nas diferentes partes da cadeia produtiva no desenvolvimento e viabilização da tecnologia a um custo cada vez menor, contribuindo para descarbonização da matriz energética mundial e o avanço na adoção da geração solar fotovoltaica, a tecnologia  de geração de energia elétrica que desde 2016 é a que mais cresce em todo o mundo.

Referências

Green, M. A., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D., Levi, D. H., Hohl-Ebinger, J., & Ho-Baillie, A. W. H. (2017). Solar cell efficiency tables (version 50). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 25(7), 668–676. https://doi.org/10.1002/PIP.2909

Niewelt, T., Steinhauser, B., Richter, A., Veith-Wolf, B., Fell, A., Hammann, B., Grant, N. E., Black, L., Tan, J., Youssef, A., Murphy, J. D., Schmidt, J., Schubert, M. C., & Glunz, S. W. (2022). Reassessment of the intrinsic bulk recombination in crystalline silicon. Solar Energy Materials and Solar Cells, 235, 111467. https://doi.org/10.1016/J.SOLMAT.2021.111467

NREL. (2022). Best Research-Cell Efficiency Chart | Photovoltaic Research | NREL. https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html

Sobre o autor: Ricardo Ruther é professor titular da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), doutorado em Electrical and Electronic Engineering - The University of Western Australia (UWA-1995) e pós-doutorado em Sistemas Solares Fotovoltaicos realizado no Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems na Alemanha (Fraunhofer ISE-1996) e na The University of Western Australia (UWA-2011). Atualmente é coordenador do Laboratório FOTOVOLTAICA/UFSC (Grupo de Pesquisa Estratégica em Energia Solar da Universidade Federal de Santa Catarina, cadastrado no Diretório de Grupos de Pesquisa do CNPq).