p A conversão direta da luz solar em eletricidade por meio de energia fotovoltaica está se tornando uma tecnologia cada vez mais importante para a geração de energia renovável em substituição aos combustíveis fósseis, com aplicações de geração em grande escala a painéis solares de telhados e até mesmo telefones celulares. Mas a energia fotovoltaica ainda responde por apenas uma fração marginal do fornecimento global de energia. Uma das principais razões para isso é o custo relativamente alto do material de base - silício - usado no tipo mais comum de célula solar. p O silício é um meio popular para conversão de energia solar devido à sua alta eficiência de conversão, mas a crescente demanda por seu uso em células fotovoltaicas está causando uma escassez no fornecimento de silício de alta qualidade necessário para aplicações em células solares. A produção de silício e a fabricação de células solares também requerem salas limpas altamente controladas para o processamento de semicondutores, o que aumenta o custo total de fabricação. Além disso, há um aumento na demanda do mercado para grandes áreas, leve, fontes de energia flexíveis para eletrônicos portáteis e energia de área remota. “Um baixo custo, alternativa flexível ou complemento ao silício é fundamental para o futuro da tecnologia fotovoltaica, ”Diz Jie Zhang, gerente do programa fotovoltaico e cientista sênior do grupo Síntese e Integração do Instituto A * STAR de Pesquisa e Engenharia de Materiais (IMRE).

p Insumo orgânico

p Os pesquisadores de materiais estão fazendo todos os esforços para criar sistemas fotovoltaicos que possam diminuir essa dependência do silício. No IMRE, pesquisadores estão desenvolvendo semicondutores orgânicos, que poderia substituir potencialmente o silício em células solares, como parte de seu programa de eletrônicos para impressão. A eletrônica imprimível envolve o uso de moléculas semicondutoras baseadas em polímero, que pode ser facilmente dissolvido em solvente como uma tinta e impresso como circuitos em filmes flexíveis, sem a necessidade de dispendiosas instalações de sala limpa. Uma vantagem significativa da eletrônica imprimível é que a tecnologia é compatível com as técnicas de impressão industrial existentes. A tecnologia torna possível explorar aplicações que requerem extrema flexibilidade, como monitores flexíveis e papel eletrônico.

p A maioria das células fotovoltaicas são baseadas em silício cristalino, que é a forma de silício mais cara de se produzir. Uma segunda geração de células solares baseada em silício amorfo de película fina muito mais barato em vidro ou metal está agora se tornando comercialmente disponível na forma de backlights de tela e aplicações semelhantes. As células fotovoltaicas baseadas em moléculas orgânicas são consideradas a terceira geração desta tecnologia, e a abordagem está chamando a atenção por causa das possibilidades de flexibilidade mecânica e capacidade de processamento da solução. As células solares orgânicas também são atraentes porque são adequadas para uso interno - ao contrário dos dispositivos à base de silício, os orgânicos podem gerar energia sob as condições de pouca luz de ambientes internos. A aplicação prática de orgânicos em células fotovoltaicas, Contudo, foi limitado devido à baixa eficiência de conversão dos compostos orgânicos conhecidos para a luz natural. “Queremos desenvolver materiais fotovoltaicos orgânicos que sejam tão eficientes quanto possível na absorção de fótons da luz solar, ”Diz Zhikuan Chen, chefe do grupo e cientista sênior do grupo de Síntese e Integração do IMRE. Chen é responsável pelo desenvolvimento de polímeros semicondutores de alto desempenho.

p Derivados de politiofeno são os materiais orgânicos mais amplamente estudados para fotovoltaicos, e alguns relatórios mostraram que esses materiais têm mobilidade de alta carga, que é um parâmetro importante do desempenho da célula fotovoltaica. Contudo, os pesquisadores acharam difícil alcançar alta eficiência de conversão e alta mobilidade de carga ao mesmo tempo.

p Em seu estudo mais recente, A equipe de Chen combinou tiofeno com benzotiadiazol para formar um copolímero com um estreito intervalo de energia adequado para a absorção da luz solar. Um transistor de efeito de campo baseado neste polímero alcançou mobilidade de carga comparável àquela dos transistores de efeito de campo baseados em polímero comercialmente disponíveis. Ao mesmo tempo, o dispositivo alcançou uma eficiência de conversão de 6,26%, um dos melhores resultados para um polímero. “Agora estamos trabalhando em novos polímeros de coleta de luz e novos materiais de transporte de elétrons para melhorar a eficiência de conversão para 10%, ”Diz Chen. Nesse nível de eficiência, a produção em massa de células fotovoltaicas orgânicas se tornaria viável.

p Fabricação rolo a rolo de grande área de eletrônicos impressos e filmes funcionais

p A capacidade de imprimir ou depositar moléculas orgânicas e inorgânicas em grandes áreas também abre uma gama de novas aplicações para fotovoltaicos orgânicos de grandes áreas, eletrônica impressa e filmes funcionais. Cientistas e engenheiros do A * STAR estão trabalhando agora para resolver uma série de desafios do processo de fabricação como parte de um projeto de ‘aumento de escala’ conduzido pelo Instituto de Tecnologia de Fabricação de Cingapura (SIMTech). O projeto de expansão é liderado pela equipe de Albert Lu, um cientista sênior e gerente de programa do Programa de Processamento de Grande Área da SIMTech.

p Lu e seus colegas estão buscando plataformas de tecnologia inovadoras para a fabricação rolo a rolo de materiais funcionais imprimíveis orgânicos e inorgânicos. Este processo pode ser usado para a produção em massa de dispositivos de filme espesso e fino, incluindo sensores, baterias e energia fotovoltaica. Os pesquisadores estão observando em particular como as moléculas de 'tinta' podem ser depositadas com alta precisão em substratos flexíveis de até 1 metro de largura. Eles também estão investigando processos de padronização, gofragem e laminação de filmes funcionais, bem como técnicas para inspeção e mecatrônica da web. Ao contrário da fabricação de circuitos eletrônicos convencionais, que requer o processamento em lote de wafers, os sistemas de processamento de grandes áreas envolvem um processo de manufatura semelhante ao de uma prensa de impressão. “O processamento roll-to-roll apresenta desafios muito diferentes daqueles do processamento convencional de semicondutores, mas espera-se que abra uma nova era de eletrônicos impressos e filmes funcionais, ”Diz o Lu.

p A SIMTech está atualmente estabelecendo um sistema de produção piloto capaz de processar eletrônicos impressos em grandes áreas e filmes funcionais de até 1 metro de largura de bobina. Lu diz que a SIMTech também está colaborando estreitamente com a indústria de impressão e mídia em Cingapura para capturar oportunidades de mercado emergentes rapidamente e alavancar tecnologias de fabricação de alta velocidade, como impressão a jato de tinta, serigrafia e impressão flexográfica.

p Capturando fótons com nanoestruturas

p Os materiais orgânicos são promissores para a energia fotovoltaica, diz o Lu, mas eles não serão capazes de substituir completamente o silício. Na verdade, pesquisas sobre o uso mais eficaz do silício ainda estão muito vivas. No A * STAR Institute of Microelectronics, Navab Singh, um investigador principal do Programa de Nano Eletrônica e Fotônica, está fazendo ajustes microeletrônicos para aumentar a utilidade do silício em energia fotovoltaica.

p As células solares clássicas à base de silício são feitas de duas camadas de diferentes tipos de silício - tipo n (rico em elétrons) e tipo p (rico em buracos) - que são colocados em contato para formar uma junção eletrônica. A corrente elétrica é gerada quando a luz que atinge o silício libera pares de elétrons e orifícios livres a uma curta distância da interface de junção. Devido à reflexão e absorção de luz em locais distantes da junção, o número de pares elétron-buraco que participam da geração de energia é relativamente baixo na estrutura clássica. Para resolver essas deficiências, Singh e seus colegas pesquisadores estão tentando implantar centenas de nanopartículas, pilares fotovoltaicos à base de silício na superfície de silício. “Quando você faz padrões em nanoescala na superfície superior, não só reduz a reflexão, mas também pode aumentar a absorção de luz dentro de uma camada de silício muito fina, de modo que todos os portadores podem ser gerados perto da junção ”, diz Singh. “Este processo também reduz o custo dos materiais.” Singh diz que a tecnologia de nanopilar de sua equipe requer apenas uma camada de 2 micrômetros de espessura, em comparação com as camadas de 300 micrômetros de espessura necessárias em projetos anteriores.

p Usando esta tecnologia de nanopilar, Singh e seus colegas demonstraram recentemente a maior densidade de corrente alcançada até agora para células solares à base de silício nanoestruturadas. Eles também estão procurando outras maneiras de melhorar ainda mais o desempenho. Uma das questões em discussão ativa é como projetar os dispositivos fotovoltaicos de forma a fazer pleno uso da energia solar, como o projeto de múltiplas junções com vários materiais de liga de silício e o projeto de estruturas que favorecem a geração de múltiplos pares de elétron-buraco. A compatibilidade com os processos de fabricação de semicondutores existentes também é um parâmetro chave do projeto. “Estamos aproveitando a tecnologia existente para tornar as coisas mais interessantes, ”Diz Singh.