Quanto aos elementos, o silício perde apenas para o oxigênio quando se trata de abundância na Terra. Para isso e suas propriedades como semicondutor, há muito tempo é a espinha dorsal da eletrônica. O material está em tudo, desde chips de computador a rádios. É o homônimo, afinal, do hub da indústria de tecnologia moderna na Califórnia, o Vale do Silício.
Falando da capital tecnológica ensolarada, o silício é o principal elemento usado em painéis solares. Três cientistas da Bell Telephone Company de Nova Jersey patentearam a primeira célula solar de silício - a primeira célula solar a ser considerada prática, com sua capacidade de converter 6% da luz recebida em eletricidade utilizável - na década de 1950. O material dominou o mercado solar desde então. Atualmente, mais de 90% dos painéis produzidos no mundo são painéis fotovoltaicos de silício cristalino.
O silício ganhou tanto status e influência de mercado, com pouca concorrência no espaço solar, que poucos sabem que existem outras opções para a energia solar.
Perovskitas, ou estruturas cristalinas, são um novo tipo de célula solar, feita de elementos comuns, como o iodeto de chumbo metilamônio. As perovskitas são mais fáceis de fabricar e têm o potencial de converter luz solar em eletricidade a uma taxa maior que as células de silício. O desafio é que as perovskitas são extremamente frágeis.
Cientistas da Universidade de Stanford, no entanto, estão tomando uma dica da natureza. Para tornar as perovskitas mais duráveis, elas olharam para a estrutura resiliente do olho de uma mosca.
O olho composto de uma mosca é composto de centenas de olhos segmentados hexagonais, cada um protegido com um "andaime" proteico orgânico para proteção. Os olhos são organizados em forma de favo de mel e, quando um falha, os outros ainda funcionam. O órgão inteiro exibe uma redundância e durabilidade que os pesquisadores esperam recriar em painéis solares.
Os pesquisadores colocaram os andaimes cheios de perovskita através de testes de fratura. (Dauskardt Lab / Universidade de Stanford) Reinhold Dauskardt e seu grupo de engenharia de ciência de materiais criaram um andaime em forma de favo de mel, com apenas 500 mícrons de largura, a partir de material fotorresistente padrão ou sensível à luz. Para pegar outro exemplo da natureza, assim como uma abelha cria um favo de mel e depois a enche de mel, os cientistas constroem essa estrutura de proteção e então fazem a perovskita dentro dela. Eles giram uma solução de elementos dentro do andaime, adicionam calor e o observam cristalizar para alcançar a estrutura da perovskita e suas propriedades fotovoltaicas. Os cientistas então revestem a célula solar com um eletrodo de prata para selá-lo e sua capacidade de capturar energia.
Em um teste preliminar de laboratório , as células solares de Dauskardt, que têm cerca de seis fios de cabelo, mantiveram sua estrutura e funcionalidade. Quando expostos a altas temperaturas e umidade (185 graus Fahrenheit e 85% de umidade relativa) por seis semanas, as células continuaram a produzir eletricidade em níveis consistentes. Os andaimes ao redor dos perovskitas também não impediram a saída elétrica deles.
Esta é uma conquista que muda o jogo. Antes dessa inovação, era muito difícil para os pesquisadores manipular e criar células de perovskita fotovoltaica, quanto mais para sobreviver no meio ambiente.
“Quando eu dava palestras no início da fotovoltaica orgânica, eu dizia, 'se você respirar nesses materiais eles falharão'. No caso dos perovskitas, eu digo "se você olhar para eles, eles falharão", brinca Dauskardt, principal pesquisador do novo estudo, publicado na revista Energy and Environment Science .
As perovskitas podem ser até 100 vezes mais frágeis que o vidro. Mas com o andaime usado para endurecê-lo, a durabilidade mecânica da célula aumenta em um fator de 30. Acrescenta estabilidade química e mecânica à célula para que os pesquisadores possam tocá-la sem quebrar e expô-la a altas temperaturas com menor chance de deterioração.
Quando iluminado de baixo, os andaimes hexagonais são visíveis nas regiões da célula solar revestida por um eletrodo de prata. (Dauskardt Lab / Universidade de Stanford) Pesquisadores da Universidade de Tóquio exploraram pela primeira vez a célula fotovoltaica de perovskita como uma alternativa à célula fotovoltaica de silício em 2009, e pesquisadores de todo o mundo saltaram para o campo. As células solares de perovskita certamente têm suas vantagens. Ao contrário das células de silício, que requerem processamento a alta temperatura para purificar e cristalizar, as células solares de perovskita são relativamente simples de fabricar.
"Este é um avanço em uma das pesquisas de perovskite porque está resolvendo problemas que os conceitos em estágio inicial enfrentam no caminho para a comercialização", diz Dick Co, diretor de operações e centro de pesquisa de energia solar da Argonne-Northwestern (ANSER). Dito isso, ele reconhece que o desenvolvimento não é universalmente aplicável a todas as pesquisas com células solares de perovskita. Existem muitas maneiras pelas quais as células solares perovskitas podem ser feitas, e cada laboratório tem seu próprio foco.
Como as estruturas cristalinas podem ser feitas de vários elementos, também há muitas possibilidades estéticas. As células solares podem ser equipadas em janelas, carros ou outras superfícies expostas à luz. Algumas empresas estão até imprimindo as células.
Co suspeita que as células solares de perovskita afetarão inicialmente os mercados de nicho.
"Eu podia vê-los sendo vendidos em carregadores de teclado do iPad, integrados em edifícios e talvez em automóveis, como o capô curvo de um carro", diz ele. “Mas é difícil imaginar fazer uma célula solar de perovskita [protótipo] do tamanho de uma miniatura grande e amplamente utilizada, especialmente quando as fábricas de silício solar estão produzindo módulos suficientes para cobrir pequenos países.”
No entanto, com melhorias na eficiência e durabilidade, os pesquisadores estão a caminho de preparar uma célula para produzir eletricidade em muitos ambientes. Os pesquisadores solicitaram uma patente provisória.
Na nova célula solar, um andaime hexagonal (cinza) é usado para dividir a perovskita (preta) em microcélulas para fornecer estabilidade mecânica e química. (Dauskardt Lab / Universidade de Stanford) No teste de Dauskardt, as células atingiram uma taxa de eficiência de 15%, o que é muito maior do que o primeiro teste em 2009 que converteu 4% da luz em eletricidade. As taxas de eficiência do painel de silício ficam em torno de 25%, e no laboratório, as perovskitas alcançaram mais de 20%. Pesquisadores estimaram a capacidade teórica de eficiência de perovskitas fotovoltaicos em cerca de 30%.
Dauskardt acredita que sua equipe pode melhorar o andaime, originalmente construído com materiais baratos e facilmente disponíveis, para aumentar a eficiência da célula.
“Ficamos tão surpresos que pudemos fazer um tão facilmente quanto pudemos. Agora a questão é, existem andaimes melhores que podemos usar? Como podemos recapturar a luz que cairia na parede do andaime? ”, Diz Dauskardt. Ele e seus colegas planejam experimentar materiais de dispersão de partículas de luz.
Com o potencial para manufatura barata, comercialização relativamente rápida (estimativas Dauskardt dentro dos próximos três a cinco anos) e aplicações surpreendentemente diversas, a célula solar de perovskita pode ser o próximo grande painel solar da década de 2020 e além.
Então, quando a mosca está zumbindo em seu ouvido, tenha certeza de que a natureza, em todas as suas formas, inspira.
