Nova técnica pode elevar limite teórico de células solares de 33% para 43%

Pesquisadores do Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), na Espanha, desenvolveram uma técnica para reduzir a perda de energia em células solares por emissão de luz. O trabalho indica que o limite teórico de eficiência de células fotovoltaicas de uma única junção pode subir dos atuais 33,16% para cerca de 43%, embora o resultado ainda esteja restrito ao ambiente de laboratório.

O estudo, liderado pelo físico Francisco Bernal Texca, concentra-se em uma perda conhecida como Boltzmann loss. Trata-se da parcela de energia que a própria célula solar reemite em forma de luz, em diversos ângulos, em vez de convertê-la em eletricidade. Segundo os pesquisadores, grande parte dos estudos anteriores priorizava o calor gerado nos painéis, enquanto a equipe do ICFO investigou a luz que escapa.

Para realizar o experimento, os cientistas utilizaram uma célula solar orgânica, em vez do silício cristalino mais comum, e substituíram o eletrodo frontal tradicional de óxido de índio-estanho por um filme fino de prata. A alteração transformou a célula em uma espécie de cavidade óptica: a luz solar consegue entrar, mas a reemissão luminosa fica concentrada em um cone de ângulos mais estreito.

Na prática, a equipe alinhou melhor o chamado “cone de emissão” ao “cone de absorção” da luz solar. Com isso, reduziu a quantidade de fótons que escapam em direções nas quais não podem ser aproveitados. O ganho medido diretamente no experimento foi de aproximadamente 0,85 ponto percentual na eficiência da célula. Embora o aumento absoluto seja pequeno, os pesquisadores consideram que o resultado representa uma mudança relevante na compreensão dos limites teóricos da tecnologia.

O desempenho máximo de uma célula fotovoltaica de uma única junção é tradicionalmente associado ao limite de Shockley-Queisser, estimado em 33,16% de eficiência. Esse cálculo leva em conta, entre outros fatores, a energia da luz convertida em calor e a parcela que retorna ao ambiente na forma de emissão luminosa em diferentes ângulos.

Ao demonstrar que essa emissão pode ser controlada e restringida a um cone mais próximo do cone de entrada da luz solar, o ICFO afirma que o limite teórico pode chegar a aproximadamente 43%. “Se o cone de emissão puder ser estreitado para corresponder mais de perto ao cone de absorção da luz solar, o que nosso trabalho demonstra experimentalmente, as células solares poderão, em princípio, alcançar eficiências próximas a 43%”, disse o primeiro autor do estudo, Francisco Bernal Texca.

Publicado na revista científica Energy & Environmental Science, o artigo afirma que o princípio físico não se limita às células orgânicas utilizadas no laboratório. De acordo com os autores, a abordagem poderá ser adaptada a diferentes tipos de células fotovoltaicas.

Atualmente, os painéis solares comerciais mais comuns apresentam eficiência entre 20% e 23%. A superação consistente desses índices é um dos principais objetivos de fabricantes que disputam um mercado em expansão, tanto em usinas de grande porte quanto em soluções residenciais, como kits plug-in para varandas.

Caso a técnica seja levada à escala industrial, será possível desenvolver módulos mais compactos capazes de gerar a mesma quantidade de energia ou módulos com maior potência instalados na mesma área de telhado. Isso pode reduzir custos de instalação, facilitar projetos em espaços limitados, melhorar o retorno financeiro para consumidores e ampliar a produção de energia renovável sem aumentar a área ocupada.

O avanço ocorre em meio à corrida tecnológica do setor. Uma célula desenvolvida pela empresa chinesa LONGi já alcançou eficiência de 35,5% em condições de laboratório e também é apresentada com potencial teórico de atingir 43%. A abordagem do ICFO atua em outra frente física, o controle da emissão de luz, e acrescenta mais uma possibilidade para aproximar as células solares desse patamar.

Por enquanto, o resultado não significa que painéis com essa eficiência chegarão imediatamente ao mercado. A equipe do ICFO ainda precisa adaptar o conceito aos materiais utilizados pela indústria, integrar a cavidade óptica a módulos solares completos e avaliar durabilidade, custos de fabricação e desempenho em condições reais de campo.

Os próximos passos incluem otimizar a espessura e o tipo de prata usados no eletrodo, estudar alternativas compatíveis com a produção em massa e analisar o comportamento da cavidade óptica quando combinada a outras tecnologias avançadas de células. O interesse de empresas e grupos de pesquisa já colocou a técnica no radar de iniciativas voltadas à superação dos limites atuais de eficiência.

Se for validada e escalada, a tecnologia poderá aumentar a quantidade de eletricidade limpa produzida por residências, empresas e usinas. A médio prazo, isso pode contribuir para reduzir o custo da energia solar e apoiar metas de diminuição das emissões de carbono. No setor, fabricantes que incorporarem soluções desse tipo poderão obter vantagem competitiva, enquanto aqueles que não acompanharem a evolução tecnológica poderão perder espaço para módulos capazes de gerar mais energia na mesma área de instalação.

Fonte: Miraí Broadcast