Célula solar flexível
Células solares flexíveis (Organic Solar Cells – OSCs) são um dos dispositivos mais promissores na pesquisa e desenvolvimento de energia solar, devido às vantagens que oferecem em termos de leveza e baixo custo, além do processo de fabricação ser muito simples[1].
No momento, existe uma grande variedade de pesquisas em células solares flexíveis e diferentes grupos de pesquisadores propõem diferentes estruturas. Atualmente, a célula solar mais produzida é a CIGS a qual é composta pelo semicondutor Cobre(Índio, Gálio)Selênio2 utilizando polímeros como substrato, a qual pode apresentar eficiência de conversão próxima de 20%. Seu método de fabricação conhecido como roll-to-roll (rolo-a-rolo) permite a fabricação de grandes quantidades de material a baixo custo, o que permite seu grande sucesso. Outra célula muito utilizada é a célula DSSC (Dye Sensitized Solar Cell – célula solar sensibilizada por corante), também conhecidas por célula de Graetzel. As células solares fotovoltaicas DSSC podem ser fabricadas sobre substratos flexíveis em um processo semelhante à impressão, adaptando-se melhor às condições de aplicação. A partir da célula DSSC também foram desenvolvidas células solares flexíveis semelhantes, mas com a substituição do eletrólito líquido por um eletrólito polimérico. Dessa forma, problemas como volatilidade e vazamento do eletrólito são minimizados.
Célula Solar CIGS[editar | editar código-fonte]
Esta célula solar flexível consiste em um filme fino policristalino de Cobre(Índio, Gálio)Selênio2 (CIGS) como camada absorvedora de luz, o qual é depositado em um substrato polimérico com alto grau de flexibilidade, como, por exemplo, a poliamida.
A fabricação de células solares em substratos flexíveis (poliméricos) é muito atrativa, pois permite a utilização do método de deposição roll-to-roll (rolo-a-rolo - R2R), o qual traz uma redução de custos e aumenta a taxa de transferência quando comparado com os métodos convencionais por lote (batch-to-batch) usados para substratos rígidos como o vidro. Os substratos mais utilizados são de metais e de filmes de poliamida. Comparado com folhas de metais, os filmes de poliamida apresentam a vantagem de serem isolantes elétricos, permitindo assim uma interconexão monolítica, ou seja, sem a necessidade de interligar as células em módulos individuais.[2]
A técnica roll-to-roll envolve um substrato no formato de uma folha muito longa a qual é enrolada em um rolo. Dessa forma, o substrato deve apresentar determinada flexibilidade para que possa ser enrolado. Em geral, materiais poliméricos apresentam essa característica. O substrato é desenrolado e passa através das máquinas que irão realizar a pintura e o revestimento. Ao final do processo, o material é enrolado novamente. Entre a pintura e o revestimento, podem existir outros processos como aquecimento, secagem e cura por UV. Como o substrato entra por uma extremidade das máquinas e sai pela outra extremidade com a célula solar pronta, o processo é contínuo, gerando uma maior quantidade de produto com um menor custo.[3]
O filme fino de CIGS é crescido em uma evaporadora térmica em ambiente de alto vácuo sobre substrato de 25 μm de espessura. É feita uma deposição de Molibdênio (Mo) por DC Sputtering antes da deposição do CIGS e de óxido de zinco (ZnO) por RF Sputtering após a deposição do CIGS. Esses materiais são responsáveis pela formação dos contatos elétricos da célula solar.
Os substratos para a fabricação das células devem apresentar as seguintes características:
- Estabilidade sob vácuo: o substrato não deve se desgaseificar durante as etapas de deposição à vácuo, especialmente durante a deposição do CIGS em que o substrato deve ser aquecido.
- Estabilidade térmica: A temperatura ideal no substrato para o crescimento com alta eficiência do CIGS deve ser de 500 – 600ºC.
- Expensão térmica adequada: O coeficiente de expansão térmica do substrato deve ser próximo ao coeficiente de expansão térmica do CIGS. Caso contrário, pode haver problemas de adesão, gerando trincas na camada de Molibdênio.
- Estabilidade química: O substrato não pode oxidar nem durante o processo de fabricação e nem durante o uso.
- Barreira de umidade: O substrato deverá proteger as camadas da célula solar durante operação a longo-prazo contra os efeitos do meio ambiente, especialmente contra vapor de água.
- Custo, consumo de energia, disponibilidade e peso: o substrato ideal deve ser barato, que necessita de baixa energia para fabricação, feito de materiais disponíveis e abundantes e com baixo peso. Esses pontos estarão ligados diretamente com a espessura do substrato.[4]
A limitação na eficiência desse tipo de célula solar flexível estava ligada com o alto gradiente de composição de Gálio (Ga) na camada absorvedora. Após ajustes na dosagem de Ga durante o crescimento do filme, foi possível obter um perfil mais uniforme e eficiência próxima de 20%, sendo o tipo de célula solar flexível com maior eficiência já reportada.[5]
Célula Solar DSSC com Eletrodos Flexíveis[editar | editar código-fonte]
As células solares sensibilizadas por corante são células que utilizam o efeito fotovoltaico para converter a luz solar em energia. Foram inventadas em 1991 pelo Professor Michael Graetzel e pelo Doutor Brian O’Regan na Escola Politécnica Federal de Lausanne, Suíça.[6] Também conhecida por célula de Graetzel, esse tipo de célula tem ganhado foco devido à sua fácil fabricação e boa relação custo-eficiência. Para aplicação em dispositivos portáteis, as células DSSC flexíveis tem ganhado ainda mais atenção.
As células solares flexíveis DSSC são leves e finas, porém resistentes e duráveis. Seu design permite que a célula seja flexionada e curvada durante sua aplicação. Sua fabricação é feita através de uma impressão do eletrólito no substrato polimérico. Utiliza como substrato o Polietileno Naftalato (PEN) e o Poli (3,4 – etilenodioxitiofeno) poliestireno sulfonado (PEDOT:PSS). Sua estrutura consiste em uma camada de óxido de estanho dopado com índio (ITO) e dióxido de titânio (TIO2) depositado por serigrafia no substrato de PEN/PEDOT:PSS. A camada de ITO é responsável pelo contato elétrico da célula. O óxido de grafeno reduzido também é adicionado no eletrodo de trabalho para reduzir a resistência de contato.[7]
A célula de Graetzel apresenta um grande potencial, mas possui dois grandes problemas que impede sua comercialização em larga escala: seu eletrólito é extremamente corrosivo (dando a essas células um tempo de vida útil muito curto), pouco translúcido (impedindo a passagem de luz de forma eficiente) e limita a tensão de célula em 0,7 volts; além disso, seu catodo é recoberto com platina, um material escasso e caro.[8][9]
Células Solares Flexíveis de Eletrólitos Poliméricos[editar | editar código-fonte]
Este tipo de célula consiste em um substrato de Polietileno Tereftalato (PET) coberto com uma camada de ITO como material dos eletrodos. Uma camada de TiO2 é depositada no ITO, em que é feita uma sinterização do filme em baixa temperatura (100ºC). Em seguida, é feita uma exposição do TiO2 à radiação UV durante alguns minutos de aquecimento a 140-150ºC para eliminar resíduos orgânicos.
A substituição dos substratos rígidos (vidro) por substratos flexíveis (poliméricos) para essa célula também trouxeram inúmeras vantagens, como a redução do peso, aumento da flexibilidade, aumento na resistência ao impacto e redução de custo. Além disso, o uso de substrato flexível também permite sua fabricação pelo método roll-to-roll como no caso da célula de CIGS, reduzindo o custo da célula e aumentando sua produção.
O principal diferencial desta célula em relação a uma DSSC é a mudança do eletrólito e do corante por polímeros. Esta mudança visa solucionar um problema típico de eletrólitos líquidos, como volatilidade e vazamento que podem ocorrer se a célula não for devidamente selada. No caso do corante, este é substituído por polímeros condutores como o Poli (fenil vinileno), o Politiofeno e o Poli (o-metoxianilina) para realizarem a função de tanto como transporte de cargas quanto absorção de luz. No caso do eletrólito, este é trocado por (1) eletrólito em gel que consiste em uma matriz polimérica de óxido de polietileno, poliacrilonitrila e polimetilmetacrilato ou (2) eletrólito de puro polímero que é composto por sais alcalinos (lítio ou sódio) dissolvidos em polímeros de alta massa molar como o óxido de polietileno (PEO) ou o óxido de polipropileno (PPO).[10]
Aplicação das Células Solares[editar | editar código-fonte]
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As células solares flexíveis são utilizadas principalmente para a fabricação de painéis solares para a conversão da energia solar em energia elétrica. Sua flexibilidade traz consigo a grande vantagem de se adaptar melhor a novas e diferentes arquiteturas, como coberturas curvas de casas e edifícios, além de possuir um peso menor.
As novas características das células solares flexíveis estão criando inúmeras novas possibilidade para aplicação das células solares:
- Uso dessas células solares em satélites: A energia solar foi primeiramente empregada em aplicações espaciais devido à relativa falta de alternativas para geração e armazenamento de energia. Trata-se de uma área que aceita o alto custo desses dispositivos;
- Painéis solares para geração de energia em casas e edifícios: A redução do peso dos painéis solares através da utilização de filmes finos e flexíveis poderá gerar uma aplicação como revestimento em janelas, gerando energia que será utilizada nas próprias casas e edifícios;
- Tintas fotovoltaicas para automóveis: conversão da energia solar para alimentação da parte elétrica e recarregar a bateria.
- Tendas solares, capas de telefone, e até telefones e dispositivos móveis.[11]
Todas essas aplicações ainda estão em desenvolvimento, mas permitirão um grande avanço tecnológico quando chegarem ao consumidor.
Fatores Comerciais das Células Solares Flexíveis[editar | editar código-fonte]
Produções realizadas com o processo roll-to-roll indicam que a tecnologia é altamente factível. É possível fabricar dispositivos com larguras de 305 mm, o que é, aproximadamente, o tamanho de uma folha A4. Este processo permite uma variedade de tamanhos de células que vai de uma faixa de 10 x 10 cm até 50 x 50 cm.
Para uma célula solar flexível, os custos relacionados à produção de eletricidade ainda estão altos devido a custos relacionados aos materiais adotados e à velocidade do processo roll-to-roll. Atualmente, este custo está na faixa de 8,1 euros por watt gerado (€/W), o que ainda é economicamente inviável tendo em vista que a capacidade de produção é em torno de 100 metros por dia (assumindo uma operação de 8h por dia). Isto resulta em uma capacidade de produção anual de, aproximadamente, 20.000 metros, o que é equivalente a 80.000 células ou 50 kW (assumindo um rendimento de 95% na produção).
As Tabelas 1 e 2 mostram, respectivamente, o custo do investimento total necessário e o custo relacionado aos materiais utilizados. Pode-se observar que com o investimento de 530 mil euros seria necessário oferecer essas células a um preço muito alto para permitir uma estrutura de negócios viável.
| Equipamento | Custo do Maquinário
(Euros) |
Infraestrutura
(Euros) |
Total
(Euros) |
|---|---|---|---|
| Impressora R2R | 126.400 | 35.800 | 162.200 |
| Máquina recobridora R2R | 152.000 | 18.500 | 170.500 |
| Máquina de corrosão R2R | 42.500 | 9.500 | 52.000 |
| Laminadora R2R | 35.800 | 0 | 35.800 |
| Máquina para caracterização R2R | 72.850 | 0 | 72.850 |
| Enrolador R2R | 28.900 | 0 | 28.900 |
| Dispositivos Elétricos | 8.000 | 0 | 8.000 |
| Total | 466.450 | 63.800 | 530.250 |
| Material | Custo do Material
(Euros) |
Custo do Processamento
(Euros) |
Total
(Euros) |
|---|---|---|---|
| Barreira | 0,4575 | 0,03173 | 0,4892 |
| Adesivo sensível à pressão | 0,1918 | 0,03173 | 0,2236 |
| PET-ITO | 2,6077 | 0,21111 | 2,8188 |
| ZnO | 0,0582 | 0,16667 | 0,2249 |
| P3HT-PCBM | 0,4492 | 0,16667 | 0,6159 |
| PEDOT:PSS (EL-P 5010) | 0,2311 | 0,16667 | 0,3978 |
| Prata (PV410) | 0,4120 | 0,16667 | 0,5787 |
| Total | 4,4078 | 0,9412 | 5,3491 |
Há algumas propostas em estudo para reduzir o custo por watt gerado para abaixo de 5 €/W, que são: eliminar o uso de materiais caros como o ITO, reduzir o tempo de processamento para um fator de 10 (de 20 minutos para 2 minutos), reduzir o custo de processamento do PEDOT:PSS e eliminar o uso da camada adesiva (Tabela 1).
Outro fator importante que ainda precisa ser explorado é a eficiência energética. Uma eficiência energética de 10% ajudaria muito na aplicação tecnológica e seria suficiente para realizar uma estrutura de custos estável.[12]
Veja Também[editar | editar código-fonte]
Referências
- ↑ Seo, J. H.; Um, H.; Shukla, A.; Hwang, I.; Park, Juyun; Kang, Y.; Kim, C. S.; Song, M.; Seo, K.. Low-temperature solution-processed flexible organic solar cells with PFN/AgNWs cathode. Nano energy (2015) 16, 122-129
- ↑ Chirila, A.; Buecheler, S.; Painezzi, F.; Bloesch, P.; Gretener, C.; Uhl, A. R.; Fella, C.; Kranz, L.; Perrenoud, J.; Seyrling, S.; Verma, R.; Nishiwaki, S.; Romanyuk, Y. E.; Bilger, G.; Tiwari, A. N.. High efficient C(In, Ga)Se2 solar cells grown on flexible polymer films. Nature materials (2011) 10, 857-861
- ↑ Krebs, F.. Fabrication and processing of polymer solar cells: A review of printing and coating techniques. Solar Energy Materials & Solar Cells (2009) 93, 394-412
- ↑ Kessler, F.; Rudmann, D.. Technological aspects on flexible CIGS solar cells and modules. Solar Energy (2004) 77, 685-695
- ↑ Chirila, A.; Buecheler, S.; Painezzi, F.; Bloesch, P.; Gretener, C.; Uhl, A. R.; Fella, C.; Kranz, L.; Perrenoud, J.; Seyrling, S.; Verma, R.; Nishiwaki, S.; Romanyuk, Y. E.; Bilger, G.; Tiwari, A. N.. High efficient Copper(Indium, Galium)Selenium2 solar cells grown on flexible polymer films. Nature materials (2011) 10, 857-861
- ↑ «Dye Sensitized Solar Cells | DSSC | GCell». G24 (em inglês). Consultado em 27 de outubro de 2015
- ↑ Wu, T.; Ting, J.. Effects of photoanode structure on the performance of flexible dye-sensitized solar cell having a Ti substrate. Applied Surface Science (2015) 356, 868-874
- ↑ Wang, M.; Chamberland, N.; Breau, L.; Moser, J.; Humphry-Baker, R.; Marsan, B.; Zakeeruddin, S.; Graetzel, M.. An organic redox electrolyte to rival triiodide/iodide in dye-sensitized solar cells. Nature Chemistry (2010)
- ↑ Wang, M.; Anghel, A.; Marsan, B.; Ha, N. C.; Pootrakulchote, N.; Zakeerudin, S.; Graetzel, M.. CoS Supersedes Pt as efficient electrocatalyst for triiodide reduction in dye-sensitized solar cells. Journal of the American Chemical Society
- ↑ Nogueira, A. F.; Longo, C.; Paoli, M.. Polymers in dye sensitized solar cells: overview and perspectives. Coordination Chemistry Review (2004) 248, 1455-1468
- ↑ «Solar Technology | Photovoltaic Technology | Solar Cell Technology | NanoFlex Power Corporation». www.nanoflexpower.com. Consultado em 27 de outubro de 2015
- ↑ Krebs, F. C.; Tromholt, T.; Jorgensen, M.. Upscaling of polymer solar cell fabrication using full roll-to-roll processing. Nanoscale (2010) 2, 873-886.
Ligações externas[editar | editar código-fonte]
- "Electron ‘spin’ key to solar cell breakthrough" (Universidade de Cambridge)