Os custos dos painéis solares despencaram nos últimos anos, levando a taxas de instalações solares muito maiores do que a maioria dos analistas esperava. Mas com a maioria das áreas potenciais para redução de custos já levadas ao extremo, outras reduções de custos estão se tornando mais difíceis de encontrar.

Agora, pesquisadores do MIT e do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) traçaram um caminho para reduzir ainda mais os custos, desta vez reduzindo as próprias células de silício.

Células de silício mais finas já foram exploradas antes, especialmente cerca de uma dúzia de anos atrás, quando o custo do silício atingiu o pico devido à escassez de suprimentos. Mas esta abordagem sofreu com algumas dificuldades:os finos wafers de silício eram muito quebradiços e frágeis, levando a níveis inaceitáveis ​​de perdas durante o processo de fabricação, e eles tinham menor eficiência. Os pesquisadores dizem que agora há maneiras de começar a enfrentar esses desafios por meio do uso de equipamentos de manuseio melhores e alguns desenvolvimentos recentes na arquitetura de células solares.

As novas descobertas são detalhadas em um artigo na revista Energia e Ciência Ambiental , co-autoria do pós-doutorado do MIT Zhe Liu, professor de engenharia mecânica Tonio Buonassisi, e cinco outros no MIT e NREL.

Os pesquisadores descrevem sua abordagem como "tecnoeconômica, "salientando que, neste ponto, as considerações econômicas são tão cruciais quanto as tecnológicas para alcançar melhorias adicionais na acessibilidade dos painéis solares.

Atualmente, 90 por cento dos painéis solares do mundo são feitos de silício cristalino, e a indústria continua a crescer a uma taxa de cerca de 30 por cento ao ano, dizem os pesquisadores. As células fotovoltaicas de silício de hoje, o coração desses painéis solares, são feitos de pastilhas de silício com 160 micrômetros de espessura, mas com métodos de manuseio aprimorados, os pesquisadores propõem que isso poderia ser reduzido para 100 micrômetros - e, eventualmente, tão pouco quanto 40 micrômetros ou menos, o que exigiria apenas um quarto do silício para um determinado tamanho de painel.

Isso não só poderia reduzir o custo dos painéis individuais, eles dizem, mas ainda mais importante, poderia permitir a rápida expansão da capacidade de fabricação de painéis solares. Isso porque a expansão pode ser restringida por limites na rapidez com que novas plantas podem ser construídas para produzir os lingotes de cristal de silício que são fatiados como salame para fazer as bolachas. Essas plantas, que geralmente são separados das próprias fábricas de células solares, tendem a ser de capital intensivo e demorado para construir, o que pode levar a um gargalo na taxa de expansão da produção de painéis solares. Reduzir a espessura do wafer pode potencialmente aliviar esse problema, dizem os pesquisadores.

O estudo analisou os níveis de eficiência de quatro variações da arquitetura da célula solar, incluindo células PERC (emissor passivado e contato traseiro) e outras tecnologias avançadas de alta eficiência, comparando suas saídas em diferentes níveis de espessura. A equipe descobriu que havia, de fato, pouco declínio no desempenho até espessuras de até 40 micrômetros, usando os processos de manufatura aprimorados de hoje.

"Vemos que há essa área (dos gráficos de eficiência versus espessura) onde a eficiência é plana, "Liu diz, "e essa é a região onde você poderia economizar algum dinheiro." Por causa desses avanços na arquitetura celular, ele diz, "realmente começamos a ver que era hora de rever os benefícios de custo."

Mudar as enormes fábricas de painéis para se adaptar às bolachas mais finas será um processo demorado e caro, mas a análise mostra que os benefícios podem superar em muito os custos, Liu diz. Levará tempo para desenvolver os equipamentos e procedimentos necessários para permitir o material mais fino, mas com a tecnologia existente, ele diz, "deve ser relativamente simples descer até 100 micrômetros, "o que já proporcionaria uma economia significativa. Outras melhorias na tecnologia, como uma melhor detecção de microfissuras antes que cresçam, podem ajudar a reduzir ainda mais as espessuras.

No futuro, a espessura poderia ser potencialmente reduzida para tão pouco quanto 15 micrômetros, ele diz. Novas tecnologias que cultivam finas pastilhas de cristal de silício diretamente, em vez de cortá-las de um cilindro maior, podem ajudar a permitir esse desbaste adicional, ele diz.

O desenvolvimento do silício fino tem recebido pouca atenção nos últimos anos porque o preço do silício caiu em relação ao pico anterior. Mas, por causa das reduções de custos que já ocorreram na eficiência da célula solar e em outras partes do processo de fabricação e da cadeia de abastecimento do painel solar, o custo do silício é mais uma vez um fator que pode fazer a diferença, ele diz.

"A eficiência só pode aumentar alguns por cento. Portanto, se você deseja obter mais melhorias, espessura é o caminho a percorrer, "Buonassisi diz. Mas a conversão exigirá grandes investimentos de capital para implantação em larga escala.

O objetivo deste estudo, ele diz, é fornecer um roteiro para aqueles que podem estar planejando a expansão em tecnologias de fabricação de energia solar. Ao tornar o caminho "concreto e tangível, " ele diz, pode ajudar as empresas a incorporar isso em seu planejamento. "Existe um caminho, "ele diz." Não é fácil, mas existe um caminho. E para os primeiros a mover, a vantagem é significativa. "

O que pode ser necessário, ele diz, é para os diferentes atores-chave da indústria se reunirem e definirem um conjunto específico de etapas e padrões acordados, como a indústria de circuitos integrados fez no início para permitir o crescimento explosivo dessa indústria. "Isso seria verdadeiramente transformador, " ele diz.

Andre Augusto, um cientista pesquisador associado da Arizona State University que não estava conectado com esta pesquisa, afirma que "refinar a fabricação de silício e wafer é a parte que mais demanda capital (capex) do processo de fabricação de painéis solares. Portanto, em um cenário de rápida expansão, o fornecimento de wafer pode se tornar um problema. Ficar mais fino resolve esse problema em parte, pois você pode fabricar mais wafers por máquina sem aumentar significativamente o capex. "Ele acrescenta que" wafers mais finos podem oferecer vantagens de desempenho em certos climas, "com melhor desempenho em condições mais quentes.

O analista de energia renovável Gregory Wilson da Gregory Wilson Consulting, que não estava associado a este trabalho, diz "O impacto da redução da quantidade de silício usado nas células convencionais seria muito significativo, como o artigo aponta. O ganho mais óbvio está no montante total de capital necessário para dimensionar a indústria fotovoltaica na escala de multi-terawatts exigida pelo problema da mudança climática. Outro benefício está na quantidade de energia necessária para produzir painéis fotovoltaicos de silício. Isso ocorre porque os processos de produção de polissilício e de crescimento de lingotes necessários para a produção de células de alta eficiência consomem muita energia. "

Wilson acrescenta "Os principais fabricantes de células e módulos fotovoltaicos precisam ouvir grupos de credibilidade como o Prof. Buonassisi do MIT, uma vez que farão essa mudança quando puderem ver claramente os benefícios econômicos. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.