As energias renováveis estão na ordem do dia, tanto nas bancadas de pesquisa quanto nos laboratórios industriais. Sendo assim, é mais que natural que o tema seja recorrentemente tratado por aqui. Na coluna de julho de 2010, abordamos os conceitos científicos básicos que estão por trás da tecnologia das células solares.
Em março deste ano, apresentamos algumas inovações científicas e tecnológicas referentes às células solares ditas convencionais, aquelas confeccionadas com filmes finos em materiais rígidos à base de silício ou de semicondutores inorgânicos – cobre, índio, gálio e selênio (CIGS). Agora, volto ao assunto para relatar inovações com as células solares plásticas, feitas à base de polímeros.
Depois da descoberta dos polímeros condutores, em meados dos anos 1970, inúmeros pesquisadores passaram a desenvolver células solares a partir desse material. Daqueles dispositivos pioneiros, com eficiência de conversão de energia solar em eletricidade inferior a 1%, aos mais atuais, com esse índice beirando os 10%, os pesquisadores tiveram que usar de muita criatividade para vencer dificuldades tecnológicas inerentes aos polímeros e finalmente chegar ao momento em que se vislumbra a possibilidade de aplicação tecnológica competitiva.
O cenário teve uma mudança animadora nos últimos dois anos, quando a eficiência saltou dos 5% para algo em torno de 9%. Isso parece pouco, quando temos em vista os 20% apresentados por células solares de silício, mas a história não é tão simples assim. Há que se levar em conta outros elementos importantes do processo tecnológico.
Eficiência não é tudo
As células solares orgânicas são divididas em duas categorias: pequenas moléculas e grandes moléculas, os ditos polímeros. É essa última classe que está despertando o grande interesse no momento, pois não depende da tecnologia de filmes finos no vácuo, como é o caso das células orgânicas à base de pequenas moléculas.
As células solares poliméricas são simplesmente processadas em soluções de solventes orgânicos, em atmosfera ambiente e temperatura inferior a 200 graus centígrados.
Na busca de células mais eficientes, os pesquisadores investigam novos materiais, suas configurações morfológicas e aspectos de engenharia de superfície.
Muitas vezes essas novas estruturas consistem na combinação de dois ou mais materiais conhecidos, de modo que a união dê origem a propriedades elétricas capazes de aumentar a eficiência na conversão da energia solar em eletricidade. Um exemplo clássico e bem-sucedido desse tipo de estrutura – chamada tandem – é a inclusão de fulerenos para aumentar a condutividade elétrica de células solares orgânicas.
Mesmo com esses avanços, ainda não foi possível a elaboração de um sistema polimérico com eficiência comparável à dos sistemas inorgânicos. Mas essa não é a questão mais importante quando se trata de comparar os dois sistemas.
A questão mais importante é o custo dos dispositivos. As células de silício, que chegam a atingir 20% de eficiência, talvez não possam reduzir muito os custos atuais, pela complexidade tecnológica da sua preparação. Os dispositivos CIGS, que também atingem 20% em sistemas de filmes finos, dependem do índio, cujo estoque mundial é muito pequeno. Então, a porta está aberta para uma tecnologia que forneça algo em torno de 15% de eficiência e seja baseada em material abundante e barato.
Os polímeros podem permitir isso, “basta” passar dos atuais 10% e chegar aos 15%. Esforço nesse sentido não falta, como também não falta competidor de peso – até porque o incentivo é grande. Estima-se que, neste ano, o mercado para eletrônica com materiais plásticos – não apenas células solares – será superior a R$ 15 bilhões.
Outra vantagem dos semicondutores poliméricos sobre os inorgânicos está relacionada ao desenvolvimento de dispositivos maleáveis, como telas de telefones celulares. Muitos dos materiais utilizados nos sistemas metálicos reagem com o oxigênio da atmosfera, de modo que os dispositivos maleáveis devem ser protegidos com uma camada de material plástico ou por meio de dispendiosos processos de encapsulamento. Isso não é necessário no caso de semicondutores de polímero.
Ainda a caminho
Na prática, os competidores buscam materiais e processos de fabricação que resultem em células mais eficientes e duráveis. Avanços científicos e tecnológicos relevantes foram recentemente apresentados em artigo de revisão publicado na Nature, por Gang Li, Rui Zhu e Yang Yang.
Muitos deles se concentram em alterações na largura da banda de energia proibida dos materiais que compõem o sistema ou na inclusão de uma segunda banda de energia, como é o caso das estruturas tandem. É essa largura que define a energia do espectro solar que será absorvida eficientemente pela célula (leia mais detalhes na coluna de julho de 2010).
O sonho é manipular materiais e suas bandas de energia de modo a obter células que absorvam toda a faixa de luz visível do espectro solar, mas criar material que absorva na faixa do vermelho não é nada fácil. No ano passado, pesquisadores da Universidade da Carolina do Norte obtiveram, a partir da mistura de um polímero com fulereno, um material capaz de absorver luz entre o amarelo e o violeta, com eficiência superior a 7%.
Embora animadores, os resultados obtidos até o momento não vão levar imediatamente à fabricação de dispositivos comerciais. Esses são apenas os primeiros passos na direção de uma eletrônica impressa em material plástico flexível.
Carlos Alberto dos Santos
Professor-visitante sênior da Universidade Federal da Integração Latino-americana