O aumento do preço e a baixa disponibilidade de matérias-primas, especialmente prata, estão levando a custos mais altos na produção de módulos fotovoltaicos. Os pesquisadores da Fraunhofer desenvolveram um processo de galvanoplastia que envolve a substituição da prata, um metal precioso caro, por cobre, que está mais prontamente disponível. Eles também conseguiram substituir os polímeros que geralmente sobraram após os processos de galvanoplastia e são caros de descartar, usando alumínio facilmente reciclável para mascaramento. Para levar a tecnologia ao mercado mais rapidamente, foi lançado o spin-off PV2+.
Quando se trata de gerar eletricidade a partir de energias renováveis, a energia fotovoltaica é um pilar. As células solares de heterojunção modernas têm um CO₂ particularmente baixo pegada devido às baixas quantidades de silício utilizados para produzi-los e, quando se trata de produção industrial, atingem os mais altos níveis de eficiência. Como resultado, as chances são altas de que essa tecnologia se torne o padrão na produção. Existem números que mostram a crescente importância da energia fotovoltaica. De acordo com a Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA), mais de 96 TWh de energia foram produzidos por sistemas fotovoltaicos em todo o mundo em 2012, que subiu para quase 831 TWh até 2020. De acordo com a Agência Alemã do Meio Ambiente, a quantidade de eletricidade gerada a partir de energia fotovoltaica em A Alemanha passou de quase 27 TWh para quase 50 TWh no mesmo período.

Este não é de forma alguma o limite do que a energia fotovoltaica pode oferecer. No entanto, na fabricação de células solares, a prata valiosa é usada para barramentos e contatos, que conduzem a eletricidade gerada na camada de silício por meio da radiação solar. O custo desse metal precioso está aumentando – ainda hoje, a prata representa cerca de 10% do preço de fabricação de um módulo fotovoltaico. Além disso, existem apenas quantidades limitadas do metal disponíveis na Terra. A indústria solar processa 15% da prata extraída, mas devido à alta taxa de crescimento da indústria, essa proporção deve aumentar acentuadamente. No entanto, isso não será viável, pois outros setores, como eletromobilidade e tecnologia 5G, também relatam um aumento futuro esperado no uso de prata. É por isso que a indústria solar requer inovações tecnológicas revolucionárias para realizar todo o seu potencial.

Cobre para contatos de células solares

Pesquisadores do Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar ISE aceitaram esse desafio. Com cerca de 1.400 funcionários, este instituto com sede em Freiburg é o maior instituto de pesquisa solar da Europa. Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Dr. Markus Glatthaar, especialista em metalização e estruturação, desenvolveu um processo de galvanoplastia para a promissora tecnologia de heterojunção para substituir prata por cobre. O cobre é muitas vezes mais barato e mais facilmente disponível do que a prata.

Para garantir que a superfície eletricamente condutora da célula solar não seja completamente galvanizada com cobre, as áreas da superfície que não devem ser revestidas devem primeiro ser mascaradas. Essas áreas são cobertas por um revestimento que tem efeito isolante elétrico, evitando que sejam galvanizadas. A camada de cobre só se acumulará nas áreas não revestidas com o isolamento.

Os pesquisadores fizeram outro avanço significativo aqui:até agora, vernizes caros à base de polímeros ou folhas laminadas têm sido usados ​​nessa indústria para mascarar a pastilha de silício no banho eletrolítico. O descarte adequado dos polímeros é um processo caro que gera muitos resíduos. Dr. Glatthaar e sua equipe conseguiram substituir os polímeros por alumínio. Assim como o cobre, o alumínio é totalmente reciclável. Mudar os materiais duas vezes, de prata para cobre e de polímero para alumínio, também traz o dobro do benefício:a produção de células solares não é apenas mais sustentável, mas também significativamente mais barata.

Um avanço científico:galvanoplastia inovadora e eletrólitos aprimorados

Mas como os pesquisadores conseguiram substituir a prata, um metal precioso caro? "Desenvolvemos um processo especial de galvanoplastia que possibilita o uso de cobre em vez de prata para os barramentos", explica o Dr. Glatthaar. Isso melhora ainda a condutividade - as linhas de contato de cobre são particularmente estreitas devido à estrutura do laser. Devido à largura extremamente pequena da linha de cobre de apenas 19 μm (micrômetros), a camada de silício de absorção de luz sofre menos sombreamento do que com as linhas de prata. Isso e a alta condutividade do cobre galvanizado melhoram o rendimento de eletricidade.

A equipe Fraunhofer também fez uma segunda conquista tecnológica ao usar o alumínio como camada de máscara. A dificuldade aqui é a natureza eletricamente condutora do alumínio, que à primeira vista o torna inadequado para uso como máscara. Os pesquisadores da Fraunhofer aproveitaram o fato de que o alumínio pode formar uma camada de óxido isolante em sua superfície. No entanto, esta camada tem apenas alguns nanômetros de espessura. "Conseguimos adaptar os parâmetros do processo e desenvolver um tipo especial de eletrólito que garante que a camada de óxido nativo extremamente fina do alumínio possa cumprir com segurança sua função isolante. Este foi um marco importante para o sucesso de nosso projeto de pesquisa", Dr. Glatthaar tem o prazer de informar.

Como materiais recicláveis, tanto o cobre quanto o alumínio podem aproximar muito a produção fotovoltaica da economia circular, melhorando os padrões ambientais e sociais no processo. "Dado que temos suprimentos suficientes de cobre na Alemanha, as cadeias de fornecimento são muito mais curtas e o preço é menos dependente dos mercados internacionais de matérias-primas ou fornecedores estrangeiros", acrescenta Dr. Glatthaar.

Spin-off PV2+ traz tecnologia solar para o mercado

Para trazer a tecnologia promissora ao mercado mais rapidamente, o Fraunhofer ISE lançou o spin-off PV2+. As letras "P" e "V" representam energia fotovoltaica, com "2+" indicando a dupla carga positiva dos íons de cobre no banho de galvanoplastia. A empresa também está sediada em Freiburg, com o pesquisador da Fraunhofer Dr. Glatthaar atuando como CEO. Ele pretende montar uma planta de produção piloto em conjunto com parceiros industriais já no início de 2023.

Como explica o professor Andreas Bett, diretor do instituto Fraunhofer ISE, "essas células solares inovadoras são um importante passo no caminho para um futuro fornecimento de energia baseado em energias renováveis. Elas darão à indústria fotovoltaica um impulso muito necessário. A spin-off tem um enorme potencial para se estabelecer de forma rápida e bem-sucedida no mercado. E, claro, estamos particularmente satisfeitos que essas tecnologias tenham sido desenvolvidas em nosso instituto." + Explorar mais

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