Foi em 2022 que a indústria fotovoltaica alcançou um terawatt (TW) de instalações fotovoltaicas cumulativas globais e a primeira célula solar tandem alcançou mais de 30% de eficiência de conversão combinando materiais de silício e perovskita. Que ano incrível!
Muitos chamaram esses 30% de barreira psicológica da tecnologia: uma espécie de iniciação para a perovskita como uma tecnologia emergente. A perovskita é uma nova estrutura de material que conquistou rapidamente o mundo fotovoltaico – um mundo que muitas vezes reluta em ser “impressionado” por inovações revolucionárias.
No entanto, as células solares de perovskita, devido à sua simplicidade de processamento e propriedades únicas, têm sido massivamente estudadas em laboratórios acadêmicos e comerciais. Não apenas alguns, mas milhares de pesquisadores em todo o mundo começaram a aprimorar seus conhecimentos e alcançar novos recordes de eficiência com esse novo material.
Apenas dez anos desde sua introdução em FV, um recorde de laboratório de 25% foi alcançado com um único dispositivo de material (junção única). Ultrapassar o limite de eficiência de qualquer dispositivo de material único (nomeie-se: silício, perovskita, CIGS, etc.) enquanto mantém o potencial de baixo custo é a principal lacuna que a comunidade fotovoltaica deseja preencher.
Até agora, isso só é possível se, em vez de um único material, dois materiais forem usados para a conversão de luz em eletricidade. Silício e perovskita são os principais candidatos.
O silício é o atual material em escala de TW para a transição energética e a perovskita por causa de suas propriedades de material ajustáveis e seu potencial de baixo custo. A combinação oferece o potencial de atingir mais de 30% de eficiência em um cenário de implantação alta e de baixo custo. Com esses dois materiais disponíveis, a comunidade presenciou uma corrida para quebrar o limite de eficiência de 30%: “a corrida dos 30%”!
Em 2022, não uma, mas várias vezes, a barreira dos 30% foi quebrada pela combinação desses materiais. Primeiro, por pesquisadores suíços do CSEM/EPFL, depois pelos parceiros do TNO, TU-Eindhoven, imec e TU-Delft em Solliance e, finalmente, pela Helmholtz-Zentrum Berlin, que demonstrou mais de 32% de eficiência de conversão com sua célula tandem. Em abril passado, o limite foi ampliado para 33,2% pelos pesquisadores da KAUST.
Não é a primeira vez que a comunidade solar ultrapassa os 30%, claro, veja por exemplo os semicondutores III-V, desenvolvidos principalmente para aplicações espaciais, mas é a primeira vez que essa eficiência é alcançada com materiais com potencial de baixo custo como a combinação de silício com perovskita.
PVs anteriores
Esta foi a primeira “corrida” na comunidade FV? Absolutamente não. Olhando para o gráfico de eficiência campeão mundial da NREL, fica claro que também havia padrões semelhantes em torno de marcos de eficiência de 20% e 25%. Como você reconhece esses períodos? Observe o aumento nas eficiências de registro de célula pouco antes de atingir o marco.
Nos últimos anos, estamos vendo a corrida “definitiva”. Este é o objetivo para alcançar a maior eficiência para uma célula solar de silício de material único, limitada ao limite teórico de cerca de 29%. O objetivo aqui seria obter o recorde final e mais alto. O último recorde de eficiência é mantido por Longi em 26,8% e muitas empresas pretendem bater isso em breve.
A vida depois da “corrida”
Historicamente, depois que um grande recorde é alcançado, há um período em que o desenvolvimento parece desacelerar. Após a corrida de 20%, houve um período de 10 anos em que nenhum novo recorde foi alcançado. Da mesma forma, houve um intervalo de 20 anos após o limite de 25% ter sido alcançado.
Então, o que acontece na comunidade de PV entre cada um desses registros? Para entendê-lo, é preciso olhar não apenas para o gráfico de eficiência dos registros do laboratório, mas também para as tendências de fabricação e instalação.
A maioria desses registros é obtida em pequenas áreas, em ambientes de pesquisa. A próxima etapa envolve o dimensionamento para grandes áreas por meio de inovações para simplificar o processamento e a capacidade de fabricação e, finalmente, levá-lo à produção em massa. Isso requer esforços da academia, institutos de pesquisa e empresas.
Apenas para dar um exemplo, cerca de 12 a 15 anos atrás, os pesquisadores estavam focados no desenvolvimento de um novo conceito de célula baseada em silício tipo n. Então, a regra geral era que uma nova arquitetura de célula não era considerada até que sua eficiência estivesse acima de 20% em uma área de wafer de 6 polegadas (naquela época, o recorde do laboratório era de 25%). Esta regra foi para demonstrar a importância de uma grande área, em vez de “apenas” a eficiência do laboratório. Após um período de corrida, a pesquisa se concentra em diminuir a lacuna entre o registro do laboratório e a eficiência das células produzidas em massa.
Se a história se repetir, já a partir deste ano, grandes recursos serão direcionados para a industrialização de células e módulos tandem de perovskita/silício.
Existem quatro grandes desafios para a realização de tandens comerciais. Primeiro, com base na tecnologia de registro, a pilha de material de mais alto desempenho precisa ser dimensionada para tamanhos relevantes para o setor (mais de 100 s cm2). Em segundo lugar, a confiabilidade de um dispositivo de área tão grande deve ser comprovada em condições externas relevantes. Em terceiro lugar, todas as tecnologias potenciais precisam de uma análise técnico-econômica detalhada do custo/benefício e viabilidade de fabricação e (espero) uma análise completa do ciclo de vida. Isso inclui disponibilidade de material e novas ferramentas para a deposição de perovskita e camadas de transporte. Por fim, a fabricação em larga escala – com ferramentas de alto rendimento e materiais abundantes – de uma célula e módulo tandem confiáveis, econômicos e totalmente integrados precisa ser demonstrada para que a tecnologia seja financiável. Só então a corrida de 30% teria completado o ciclo.
Claro, para a comunidade científica, depois de um novo recorde importante, sempre há outro limite. E para os dispositivos tandem, estamos experimentando uma rotatividade muito mais rápida de recordes de eficiência, típico do estágio inicial de desenvolvimento de uma nova tecnologia com um potencial incrível. Quanto tempo você acha que levará para a comunidade FV atingir 35%?
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