Nanopartículas de Alumina Duráveis Aumentam a Vida Útil das Células Solares de Perovskita em 10x

Uma equipe de pesquisadores inovadores acabou de publicar um estudo que demonstra como nanopartículas de alumina podem prolongar a vida útil dos painéis solares em dez vezes. À medida que a comunidade global se aproxima de sua meta de alcançar emissões líquidas zero de carbono nas próximas décadas, há um forte impulso para colocar as energias renováveis no mercado. Opções de energia renovável, como turbinas eólicas e painéis solares, oferecem uma solução de energia confiável e limpa. No entanto, esses dispositivos não são perfeitos, e seu desempenho se degrada ao longo do tempo.

Tipos de Painéis Solares

A tecnologia de painéis solares continua a evoluir. Hoje, existem quatro principais tipos de painéis solares no mercado: PERC, monocristalino, policristalino e painéis de filme fino. Essas opções têm seus prós e contras em termos de eficiência, vida útil, tamanho e durabilidade.

PERC  (Emissor Passivado e Célula Traseira)

Os painéis solares PERC incorporam um design de camada dupla para maximizar a eficiência. Notavelmente, esse tipo de painel solar pode alcançar +20% de eficiência usando essa configuração. Ele oferece durabilidade e vida útil médias. No entanto, é a opção mais cara da lista, tornando-a não ideal para a maioria dos proprietários.

Monocristalino

Os painéis monocristalinos são outra opção cara que produz 20% de eficiência. Este painel utiliza cristal de silício como material base. A configuração oferece a maior vida útil das quatro opções, mas também aumenta o custo total desses painéis.

Fonte – ACS

Policristalino

Os painéis policristalinos são construídos fundindo fragmentos de silício juntos. Essa abordagem reduz os custos de fabricação, tornando esta opção mais acessível. No entanto, essas unidades são maiores que suas contrapartes e são menos eficientes. Na maioria dos casos, elas apresentam eficiência média de 15%.

Painéis de Filme Fino

Os painéis de filme fino oferecem a menor eficiência, mas proporcionam a maior flexibilidade e acessibilidade. Estes são os painéis que você vê em trailers e outras áreas onde o espaço é limitado. Os painéis de filme fino podem ser feitos de uma variedade de materiais. Duas opções comuns são CdTe (Telureto de Cádmio) e a-Si (Silício Amorfo).

Células Solares de Perovskita (PSCs)

As Células Solares de Perovskita são o tipo mais avançado de painel solar usado hoje.  Esses painéis baseados em silício fornecem alta eficiência a partir de uma forma compacta e leve. Para alcançar isso, eles incorporam monocamadas auto-organizadas (SAMs) para melhorar o desempenho sem aumentar os preços.

Problemas com as PSCs

As PSCs ainda apresentam muitas desvantagens. Por exemplo, elas sofrem com vazamento de iodo, como outras opções de painéis. A geração de iodo molecular ocorre ao longo do tempo devido a reações químicas dentro desses materiais, agravando os processos de degradação e reduzindo o desempenho.

Estudo sobre Nanopartículas de Alumina

Reconhecendo a falta de compreensão sobre a influência dos modificadores moleculares nas propriedades elétricas e eletrônicas em escala nanométrica da perovskita e na estabilidade dos dispositivos, engenheiros da Universidade de Surrey propuseram um método inovador para melhorar a vida útil e o desempenho desses dispositivos.
O relatório “Estabilidade aprimorada e homogeneidade eletrônica em células solares de perovskita via uma camada de óxido enterrada nanoengenheirada“¹ publicado na EES Solar revela o funcionamento interno desses materiais durante o processo de degradação, permitindo que os engenheiros compreendam melhor os modificadores de superfície e como podem ser utilizados para melhorar dispositivos futuros. Como parte do estudo, a equipe começou testando a durabilidade dos principais tipos de painéis solares entre si.

PFN–Br

Este eletrólito polimérico é comumente usado em PSCs. Ele oferece desempenho confiável e vida útil média. A equipe decidiu utilizar este material, pois ele é visto como o mais avançado no mercado atual.

Nanopartículas de Alumina (Al₂O₃)

Os engenheiros desenvolveram nanopartículas de alumina (Al₂O₃) como parte de sua pesquisa. Essas pequenas partículas foram projetadas para capturar o iodo que é liberado dentro do painel solar ao longo do tempo. O objetivo era impedir que o iodo escapasse para o restante da célula e degradasse o desempenho.

Perovskitas 2D

Para cumprir a tarefa, os engenheiros criaram uma barreira de perovskita 2D contra a umidade. Essa barreira impediu que materiais externos entrassem no painel e induzissem degradação. Essa estratégia aumentou a confiabilidade e durabilidade do painel.

Teste de Nanopartículas de Alumina

Para testar sua teoria, os engenheiros precisaram colocar os painéis em condições reais. Como parte da fase de testes, a equipe criou cenários severos de calor e umidade. Os painéis foram então inseridos nesses ambientes e testados. Usando espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS), a equipe acompanhou cuidadosamente o progresso das células em degradação sob condições estressantes.

Microscopia de Força de Sonda Kelvin

A partir daí, os engenheiros usaram um microscópio de Força de Sonda Kelvin para monitorar a influência dos modificadores na superfície e na homogeneidade eletrônica de amostras frescas e degradadas. O microscópio KPF foi utilizado para analisar a homogeneidade eletrônica da superfície de filmes de perovskita. Isso ajudou os pesquisadores a entender como as nanopartículas de alumina contribuem para a estabilidade aprimorada e a redução da degradação, em vez de observar diretamente seu funcionamento.

Teste de Estabilidade

O teste de estabilidade envolveu observar como a camada de barreira de umidade encapsulada se comportava sob condições intensas. Os dispositivos foram testados periodicamente após cada ciclo de exposição. Essa estratégia facilitou aos cientistas a realização de comparações diretas de cada célula.

Resultados do Teste de Nanopartículas de Alumina

Os resultados dos testes demonstram grande potencial para esta tecnologia. Por um lado, as células construídas com nanopartículas de alumina produziram mais energia e puderam ser feitas mais leves. Esses dispositivos demonstraram alto desempenho com degradação mínima na produção de energia registrada ao longo de 1.530 horas de teste.

Especificamente, as unidades impregnadas com nanopartículas demonstraram uma expectativa de vida 10 vezes maior que as predecessoras. Os engenheiros descobriram que as nanopartículas de Al₂O₃ também contribuíram para uma estrutura de perovskita mais uniforme. Essa arquitetura aprimorada proporcionou menos defeitos e aumentou a conectividade elétrica.

Impressionantemente, as nanopartículas criaram um revestimento protetor 2D que impediu a entrada de umidade nas unidades. Os testes mostraram uma baixa taxa de permeação de água de aproximadamente 4 × 10⁻³ g por m² por dia. Dessa forma, as novas unidades são mais adequadas para condições climáticas adversas e instalações permanentes.

Benefícios das Nanopartículas de Alumina

Existe uma longa lista de benefícios que tornam as nanopartículas de alumina uma substituição inteligente para outras opções. Por exemplo, elas oferecem alta eficiência em um fator de forma pequeno. Aqueles com espaços limitados, como telhados urbanos, obterão mais desses painéis.

Expectativa de Vida Mais Longa

Adicionar energia solar à sua casa ou empresa não é barato. É comum que um sistema custe mais de US$ 50 mil. Qualquer tecnologia que possa melhorar a expectativa de vida desses dispositivos e reduzir os custos certamente será rapidamente adotada no mercado.

Mais Barato de Construir

Outro benefício principal de criar painéis com nanopartículas de alumina é que eles custam menos para fabricar, considerando seu potencial aumento de vida útil. À medida que os painéis solares se tornam mais avançados, a tendência tem sido que as versões mais recentes custem substancialmente mais que as predecessoras. Esta mais recente descoberta científica pode reverter essa tendência e permitir que os fabricantes ofereçam produtos melhores por menos.

Pesquisadores de Nanopartículas de Alumina

O estudo sobre Nanopartículas de Alumina foi apresentado por uma equipe de engenheiros da Universidade de Surrey. Ele lista W. Hashini K. Perera como autor principal, juntamente com uma equipe de colaboradores do Laboratório Nacional de Física e da Universidade de Sheffield. Agora, a equipe busca aprofundar sua pesquisa em aprimorar painéis solares com o objetivo de refinar a tecnologia o suficiente para produzir produtos comerciais dentro de 2‑5 anos.

Empresas que Lideram o Mercado de Painéis Solares

A corrida pela energia limpa levou ao surgimento de vários fabricantes e participantes de destaque no mercado de painéis solares. Desde os que desenvolvem novas tecnologias até os trabalhadores que instalam os painéis, o setor continua a se expandir. Aqui está uma empresa que está posicionada para aproveitar qualquer grande avanço na tecnologia solar e aumentar os retornos.

First Solar, Inc.

First Solar Inc. (FSLR ) entrou no mercado em 1999 com o objetivo de fornecer sistemas solares confiáveis ao mercado global. Notavelmente, a empresa foi renomeada de Solar Cells como parte da mudança da empresa em direção a células fotovoltaicas (PV). Atualmente, a empresa tem sua sede em Tempe, Arizona, e oferece uma ampla seleção de soluções de energia solar.
Notavelmente, a First Solar é a única grande fornecedora de sistemas solares dos EUA que não utiliza fabricação chinesa. A empresa cria seus painéis de filme fino de telureto de cádmio (CdTe) nos EUA. Além disso, a First Solar foi uma das primeiras empresas a fornecer módulos solares de telureto de cádmio (CdTe) confiáveis ao mercado.