No final de um dos verões mais quentes já registrados, como lutas sobre como alimentar a raiva das casas, a energia solar renovável continua sendo uma opção que não adiciona gases de efeito estufa significativamente ao meio ambiente em troca da iluminação e do resfriamento de nossas casas. E acabou de receber outra vantagem por meio da ciência material.

Em um novo estudo publicado em Energias , pesquisadores descobriram uma maneira de reduzir os custos de produção de células solares em mais de 10 por cento.

"Melhorar o custo por unidade de energia no nível da célula pode ter efeitos massivos a jusante, "diz Joshua Pearce, professor de ciências dos materiais e engenharia elétrica na Michigan Tech. Já, ele diz, os custos da energia solar são comparáveis ​​às formas convencionais de eletricidade e é a fonte de energia de crescimento mais rápido. Essa queda de 10% deve colocar a energia solar na vanguarda ainda mais rápido.

Trocar o silício usado em células solares por energia renovável reduz os custos

O silício é o material de captura de luz padrão usado em células solares fotovoltaicas (PV). Ele vem em duas formas principais:cristais perfeitos que custam mais e produzem maior eficiência e silício multicristalino que custa menos, mas oferece menor eficiência. Com a corrosão comum para reduzir a luz refletida, os dois tipos ainda perdem um pouco de luz, que é o que dá à maioria dos painéis solares sua cor azul.

Os pesquisadores já sabiam que o silício nanotexturizado com corrosão seca torna o silício preto (black-Si) mais eficiente na captura de luz do que os tratamentos padrão de corrosão. Não tem cor porque o processo de corrosão seca pega uma superfície de silício normalmente plana e "a grava em uma floresta de agulhas em nanoescala, - diz Pearce. - Essas agulhas agarram a luz e não a deixam escapar. É como olhar nos olhos de Darth Vader. "

Normalmente, uma área de superfície tão alta com muitos defeitos de superfície prejudicaria o desempenho elétrico, mas pesquisadores da Aalto University descobriram que, quando o silício também é tratado com um revestimento de deposição de camada atômica (ALD) apropriado, os efeitos dos defeitos superficiais são mitigados.

O pensamento típico tem sido que o custo das células de Si-preto de corrosão seca e ALD são muito caros para uso prático, especialmente em uma indústria onde, Pearce diz, "as margens são extremamente apertadas. Todo mundo está tentando reduzir os custos o máximo possível."

Contudo, os resultados de seu estudo chocaram até Pearce. Embora os pesquisadores tenham descoberto que a produção de células traseiras emissoras passivas individuais de Si preto (PERC) foi entre 15,8 e 25,1 por cento mais cara do que a produção de células convencionais, eles também descobriram que os ganhos de eficiência e a capacidade de usar o material inicial de silício multicristalino mais barato superavam em muito esses custos extras:no geral, o custo por unidade de energia caiu 10,8%.

O futuro das energias renováveis ​​e da produção de energia solar por meio da ciência de materiais

O preto não é apenas melhor do que o azul quando se trata de painéis solares. As melhorias podem começar a superar o principal concorrente das energias renováveis ​​na arena da mudança climática.

“Para as pessoas que pensam que a tecnologia do carvão será capaz de competir com a solar, eles devem saber que os custos da energia solar ainda estão caindo. A maioria das empresas de carvão já está, ou perto, falido agora, "Pearce diz." Não há como o carvão ser capaz de competir com a energia solar no futuro. "

Ele adiciona, "Este estudo aponta para onde o futuro está indo na fabricação de PV e o que os países podem querer fazer para ter uma vantagem competitiva."

Unindo-se através do Atlântico para a eficiência da energia solar

Pearce concluiu este estudo durante um ano sabático como cadeira distinta da Fulbright na Aalto University na Finlândia. Ele trabalhou com o Grupo de Física Eletrônica de Hele Savin e teve acesso aos dados sobre esses processos. Os pesquisadores também conseguiram obter informações sobre os custos de fabricação das empresas, que não é público, mas foram autorizados a usar para este estudo, junto com a literatura publicada sobre células solares.

Embora o preço à vista das células solares possa mudar dia a dia - ou mesmo a hora - os resultados ainda se mantêm. "Isso é 10 por cento de declínio entre os tipos de células de qualquer que seja o número naquele dia, "diz. Isso porque as comparações foram feitas em custos relativos, custos não absolutos. É também por isso que tarifas flutuantes arbitrárias não foram consideradas nos cálculos.

O que vem a seguir para energia solar e renováveis

Pearce diz que embora o processo de produção ainda possa ser otimizado para extrair mais alguns pontos percentuais de eficiência, a próxima etapa deste estudo deve ser usada pelos formuladores de políticas para acelerar a fabricação de PV. Para um país como a China, que já domina a fabricação global de PV, "fazer essa mudança relativamente pequena é bastante trivial." A União Europeia, que atualmente fabrica muitos equipamentos de fabricação, também deve "observar cuidadosamente a ampliação da corrosão iônica reativa profunda e ferramentas ALD para atender às necessidades do mercado de PV em rápida expansão". Ele espera que países como os EUA, que costumava dominar o campo solar, usará esses dados em um nível de política para superar os fabricantes internacionais, e investir na produção de novas máquinas para fabricar esses tipos de células solares.

"Não sei qual tecnologia acabará dominando o campo solar, " ele disse, no entanto, "O estudo mostra o ímpeto econômico claro para avançar na direção do PERC de silício preto gravado a seco que não existia antes."

Este estudo foi realizado com Chiara Modanese, Hannu Laine, Toni Pasanen e Hele Savin da Aalto University na Finlândia.