Células Fotovoltaicas Micrométricas: um ‘Avanço Tecnológico’ para a Miniaturização de Dispositivos

Em uma era em que soluções de energia sustentável são mais cruciais do que nunca, a evolução da tecnologia fotovoltaica (solar) está na vanguarda da inovação.  Um exemplo recente disso vem da Universidade de Ottawa (U of O), onde uma equipe de cientistas conseguiu “alcançar um feito mundial ao fabricar as primeiras células fotovoltaicas micrométricas de contato traseiro.”  Isso está sendo descrito como um “passo crucial” na facilitação da contínua miniaturização dos eletrônicos.

A equipe responsável por este avanço foi liderada por,

• Mathieu de Lafontaine, pesquisador de pós-doutorado na U of O e professor de física em tempo parcial
• Karin Hinzer, vice-reitora de pesquisa e presidente da Universidade em Dispositivos Fotônicos para Energia na Faculdade de Engenharia

Embora a U of O tenha sido central neste avanço, a equipe também recebeu apoio da Université de Sherbrooke em Quebec e do Laboratoire des Technologies de la Microélectronique em Grenoble, França.

O que são Células Fotovoltaicas?

Células fotovoltaicas, comumente conhecidas como células solares, são dispositivos que convertem a luz solar diretamente em eletricidade.  Elas operam com base no princípio do efeito fotovoltaico, onde a energia luminosa (fótons) que incide sobre materiais semicondutores como o silício libera elétrons de suas órbitas atômicas, criando um fluxo de carga elétrica.

Essas células são os blocos de construção fundamentais dos painéis solares e são críticas para a captação de energia solar, uma fonte de energia renovável e limpa.  O recente avanço da U of O no desenvolvimento de células fotovoltaicas micrométricas representa um salto significativo nessa tecnologia, oferecendo soluções mais eficientes e compactas.

O que são ‘Células Fotovoltaicas Micrométricas de Contato Traseiro’?

Como mencionado, as células fotovoltaicas micrométricas de contato traseiro representam um avanço revolucionário na tecnologia solar.  Ao contrário das células solares tradicionais, onde os contatos elétricos estão localizados nas superfícies frontal e traseira, as células de contato traseiro têm todos os seus contatos elétricos no lado posterior.

Esse design único reduz significativamente o efeito de sombreamento causado pelos eletrodos na superfície da célula, aprimorando a capacidade da célula de capturar a luz solar.

Qual é o efeito de ‘Sombras’?

O efeito de sombreamento em células solares refere‑se à obstrução da luz solar causada pela presença de contatos elétricos na superfície da célula.  As células fotovoltaicas tradicionais possuem contatos metálicos (geralmente de prata ou alumínio) na superfície superior que coletam e transportam a corrente elétrica gerada pela célula.

Esses contatos, porém, podem bloquear uma parte da luz incidente, impedindo que ela alcance o material fotovoltaico subjacente.  Esse bloqueio reduz a quantidade de luz disponível para conversão em eletricidade, diminuindo assim a eficiência geral da célula solar.

Fonte: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325

Reduzir esse efeito de sombreamento é crucial por várias razões:

1. Aumento da Eficiência: Ao minimizar a área coberta pelos contatos, mais da superfície da célula pode participar ativamente da absorção de luz e da conversão em eletricidade.  Isso aumenta a eficiência geral da célula, permitindo gerar mais energia a partir da mesma quantidade de luz solar.
2. Relação Custo‑Benefício: Maior eficiência significa que a mesma quantidade de energia pode ser produzida com menos células.  Como resultado, o custo total dos sistemas de energia solar pode ser reduzido, tornando a energia solar mais competitiva em relação a outras formas de energia, aumentando sua acessibilidade a um número maior de usuários.
3. Versatilidade e Flexibilidade de Design: Reduzir o sombreamento permite designs de células solares mais inovadores e flexíveis.  Isso pode levar ao desenvolvimento de células que não só são mais eficientes, mas também mais finas e leves, o que pode ser particularmente benéfico para aplicações que exigem considerações de espaço e peso, como na aeroespacial, dispositivos portáteis e soluções integradas em edifícios.

Reduzir o efeito de sombreamento é fundamental para avançar a tecnologia solar – algo que agora está sendo abordado com essas células fotovoltaicas micrométricas de contato traseiro.  Como resultado, podemos esperar em breve células solares mais eficientes, econômicas e versáteis, que deverão contribuir para a adoção mais ampla da energia solar como fonte de energia sustentável.

Por que a Miniaturização é Importante?

Além de reduzir o efeito de sombreamento nas células fotovoltaicas tradicionais, o contato traseiro permite uma miniaturização muito aprimorada.  Isso é crucial no campo da eletrônica e das tecnologias de energia renovável porque possibilita um uso mais eficiente do espaço e dos recursos, ao mesmo tempo em que melhora o desempenho.

O aspecto miniaturizado ou ‘micrométrico’ dessas células faz com que elas tenham cerca de duas vezes a espessura de um fio de cabelo humano.  Como resultado, essas células fotovoltaicas menores e mais eficientes desenvolvidas pela U of O podem também reduzir significativamente os custos de produção (supostamente em até três vezes).

“Este avanço tecnológico promete benefícios significativos para a sociedade. Células solares menos caras e mais poderosas ajudarão a acelerar a transição energética.”

“Baterias nucleares leves facilitarão a exploração espacial, e a miniaturização de dispositivos contribuirá para o crescimento da internet das coisas e levará a computadores e smartphones mais poderosos” – Mathieu de Lafontaine

Curiosamente, essa miniaturização não se trata apenas de tornar os dispositivos menores; trata‑se de torná‑los mais inteligentes e mais adaptáveis a diversos ambientes.  No contexto de um mundo cada vez mais conectado, onde a Internet das Coisas (IoT) e as tecnologias inteligentes se tornam onipresentes, células fotovoltaicas miniaturizadas podem alimentar uma variedade de dispositivos sem as restrições das fontes de energia tradicionais.

Dessa forma, esse avanço pode viabilizar uma abordagem mais verde e sustentável para a geração e consumo de energia, contribuindo diretamente para a transição rumo a uma economia neutra em carbono.

Onde Elas São Usadas?

Células fotovoltaicas têm uma ampla gama de aplicações que estão constantemente crescendo com avanços como a fabricação de contato traseiro.  Essa versatilidade e apelo são amplamente devidos à capacidade de gerar eletricidade de forma limpa e renovável.

Além da geração de energia convencional, elas são fundamentais em sistemas de energia remotos e portáteis, como aqueles usados na exploração espacial, onde alimentam satélites e espaçonaves.

Com a miniaturização dessas células, suas aplicações se estendem a dispositivos eletrônicos mais densos, potencialmente transformando indústrias como telecomunicações e a Internet das Coisas (IoT).  Como mencionado anteriormente, a miniaturização pode levar a soluções solares mais eficientes, compactas e versáteis, ampliando o escopo onde a tecnologia fotovoltaica pode ser aplicada.

Empresas do Setor

Atualmente, há algumas empresas notáveis que impulsionam o crescimento dentro do setor de energia sustentável, mantendo foco em aplicações solares.  A seguir, apresentamos algumas delas, juntamente com diversas adições relevantes.

1.  NextEra Energy Resources

NEE Gráfico de preços

NextEra Energy (NEE ) Resources, subsidiária da NextEra Energy, está fazendo avanços significativos no setor de energia solar.  No primeiro trimestre de 2023, a empresa adicionou cerca de 2.020 MW de ativos renováveis e de armazenamento ao seu backlog, incluindo aproximadamente 1,3 GW de energia solar, além de ativos de armazenamento e eólica.  Essa adição elevou seu backlog de projetos para mais de 20,4 GW, demonstrando um forte compromisso em expandir seu portfólio de energia renovável​​​.

Um projeto notável é o projeto solar Sebree de 400 MW no Condado de Henderson, Kentucky, que está sendo desenvolvido pela Sebree Solar, subsidiária da NextEra Energy Resources.

Além disso, a NextEra Energy Resources também está envolvida em outro projeto solar de 200 MW por meio da Green River Solar, outra de suas subsidiárias.  Essas iniciativas refletem o compromisso da NextEra Energy Resources em avançar a energia solar como um ator chave no mercado de energia renovável.

2.  First Solar

FSLR Gráfico de preços

First Solar (FSLR ), empresa proeminente dos EUA especializada em módulos solares de filme fino de telureto de cádmio, demonstrou avanços significativos em iniciativas solares até 2023.  Com US$ 801 milhões em receitas e enviando 2,7 GW de pedidos de módulos solares em um único trimestre, a empresa demonstra forte crescimento e ênfase na tecnologia solar.  Para atender à demanda crescente, a First Solar está expandindo sua capacidade de fabricação tanto nos EUA quanto internacionalmente, visando uma capacidade global de 25 GW até 2026.

Notavelmente, a First Solar foi pioneira na produção de módulos de filme fino bifaciais, um primeiro na indústria.  Essa tecnologia inovadora permite ganho bifacial de energia e rendimentos energéticos mais altos, marcando um avanço significativo na eficiência dos módulos solares.

3.  SolarEdge Technologies

SEDG Gráfico de preços

SolarEdge Technologies (SEDG ) é amplamente vista como líder em tecnologia de energia inteligente.  Esta empresa fez avanços significativos no setor de energia solar em 2023, registrando receitas recordes de US$ 943,9 milhões, dos quais US$ 908,5 milhões provêm especificamente de seu segmento solar.  Essa conquista indica a presença robusta da SolarEdge na indústria solar.  No primeiro trimestre de 2023, a SolarEdge enviou 3,6 Gigawatts (AC) de inversores e 221 MWh de baterias, sublinhando sua contribuição substancial ao mercado de energia solar​

Menções Notáveis

Considerações Finais

Os avanços na tecnologia de células fotovoltaicas, particularmente através do desenvolvimento de células micrométricas de contato traseiro, representam um potencial salto quântico na energia solar.  Essa inovação não só aumenta a eficiência e reduz o custo da energia solar, como também abre novos horizontes para sua aplicação em diversos setores.  A redução do efeito de sombreamento e o foco na miniaturização são fundamentais para impulsionar a energia solar ao topo das fontes de energia renovável.

À medida que adotamos esses avanços tecnológicos, nos aproximamos de um futuro onde a energia sustentável e limpa difundida não é apenas uma possibilidade, mas uma realidade.