Material sintetizado em laboratório pode baratear energia solar

Parque solar de Templin, no leste da Alemanha

Graças ao seu potencial de aplicação no campo da tecnologia fotovoltaica, as perovskitas são um dos materiais funcionais mais estudados na atualidade. Células solares de perovskitas já alcançam uma eficiência de 25% na conversão de energia luminosa em elétrica, ultrapassando o porcentual das células de silício policristalino — ainda as mais comercializadas no mundo. O grande diferencial da nova tecnologia é a fabricação mais simples, barata e menos impactante para o meio ambiente.

“As células de silício só podem ser fabricadas em ambientes com elevado controle de particulados e demandam temperaturas que vão a mais de 1.500º C. Por isso, embora seu preço tenha caído bastante nos últimos anos, os painéis solares à base de silício são muito caros. Em nosso laboratório, estamos produzindo filmes de perovskita a partir de soluções, também chamadas de tintas, em temperatura ambiente”, disse Ana Flávia Nogueira, professora do Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas (IQ-Unicamp) e pesquisadora responsável pela Divisão de Portadores Densos de Energia do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE).

O CINE é um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído pela FAPESP e pela Shell.

Juntamente com os pesquisadores Hélio Tolentino e Raul de Oliveira Freitas, do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), Nogueira coordenou um estudo de caracterização de filmes de perovskita híbrida. O trabalho resultou no artigo Nanoscale mapping of chemical composition in organic-inorganic hybrid perovskite films, publicado no periódico Science Advances, do grupo Science.

O estudo foi realizado com apoio da FAPESP durante o doutorado de Rodrigo Szostak.

“Nos últimos cinco anos, houve uma corrida de todos os grupos de pesquisa para ver quem conseguia a maior eficiência. Estamos próximos do limite teórico de eficiência, em torno de 30%. No entanto, a tendência atual é dar um passo atrás para entender melhor esses materiais. O trabalho realizado por Szostak está inserido nessa nova tendência. A técnica empregada por ele, que envolve luz síncrotron e nanoespectroscopia com infravermelho, foi usada pela primeira vez na caracterização de perovskitas”, afirmou Nogueira.

Szostak usou o aparato do LNLS, que lhe permitiu mapear grãos nanométricos individuais nos filmes. Isso foi importante porque o método de fabricação dos filmes, que consiste em depositar uma solução dos precursores do material sobre um substrato, em camadas com espessuras da ordem de nanômetros, pode originar tanto a fase estrutural de interesse quanto fases indesejáveis. Fatores circunstanciais, como umidade ou temperatura, influenciam a forma de organização dos átomos, fazendo com que possam passar de uma estrutura com atividade fotovoltaica para uma estrutura inativa. O objetivo do estudo foi investigar como essas diferentes fases se distribuem no filme e, consequentemente, como influenciam o desempenho do dispositivo.

Classe diversa

A perovskita propriamente dita é um óxido de cálcio e titânio, com fórmula molecular CaTiO3. Foi descoberta nos montes Urais, na Rússia, em 1839. E recebeu esse nome em homenagem ao mineralogista russo Lev Perovski (1792-1856), ministro do czar Nicolau I. O que os pesquisadores do CINE e outros chamam de perovskita é, na verdade, uma classe de materiais diversos sintetizados em laboratório que apresentam a mesma estrutura cristalina da perovskita original. São substâncias constituídas por dois cátions (íons positivos) de diferentes tamanhos, que podem ser genericamente descritos pela fórmula molecular ABX3, na qual A e B representam os cátions e X representa halogênios.

As pesquisas conduzidas no CINE, com vista à potencial utilização em dispositivos fotovoltaicos, enfocam perovskitas híbridas, com um cátion inorgânico (sem carbono) e um cátion orgânico (com carbono).

“Szostak trabalhou com perovskitas tridimensionais. Outro trabalho de nosso grupo, realizado por Raphael Fernando Moral, resultou na síntese de um novo material, uma perovskita bidimensional. Moral também usou a luz síncrotron para caracterizar o material, mas com espalhamento de raios X”, contou Nogueira.

O trabalho de Moral também recebeu apoio da FAPESP por meio de bolsa de mestrado e bolsa estágio de pesquisa no exterior. Os resultados renderam destaque na capa do periódico Chemistry of Materials, da American Chemical Society, onde foi publicado o artigo Synthesis of Polycrystalline Ruddlesden–Popper Organic Lead Halides and Their Growth Dynamics.

Moral usou, nos Estados Unidos, o equipamento do Stanford Synchrotron Radiation Lightsource para acompanhar o crescimento do material no momento exato em que a reação química acontecia, por meio de uma técnica chamada de espalhamento de raios X a baixos ângulos (do inglês, SAXS). De volta ao Brasil, o pesquisador e colaboradores prosseguiram o estudo no LNLS, para avaliar a estabilidade do material sob diversas condições de contorno. “Moral conseguiu determinar até a velocidade média com a qual as placas 2D se sobrepõem durante a formação do material. Quando atravessada pela corrente elétrica, essa perovskita emite luz muito fortemente e pode ser um ótimo material para a fabricação de LEDs [light-emitting diodes]”, disse Nogueira. Agência Fapesp

Titânio pode melhorar células da perovskita

Cientistas do instituto russo NUST MISIS e da Universidade de Roma descobriram que um carboneto de titânio bidimensional pode melhorar o desempenho de uma célula solar de halogeneto de perovskita quando adicionada em quantidades microscópicas pelas diferentes camadas celulares.

Cientistas e colaboradores da NUST MISIS da Universidade de Roma fizeram uma descoberta que poderia melhorar ainda mais o desempenho das células solares de perovskita.

Imagem: sgnuskov / Wikimedia Commons

Um artigo de cientistas da Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia da Rússia (NUST MISIS) e da Universidade Tor Vergata, em Roma, descreveu como o MXene, um carboneto bidimensional de titânio, pode proporcionar um aumento de até 25% no rendimento em células solares de perovskita.

Os cientistas disseram que o MXene reduz as perdas à medida que os elétrons se movem entre o absorvedor e as camadas de eletrodo em uma célula. "Descobrimos que o MXenes, devido à sua estrutura bidimensional exclusiva, pode ser usado para ajustar as propriedades da superfície da perovskita, o que permite uma nova estratégia de otimização para esta célula solar de terceira geração", disse Aldo di Carlo, professor de optoeletrônica e nanoeletrônica. da Universidade de Roma.

As experiências, descritas no documento " MXenes de carboneto de titânio para funções de trabalho e engenharia de interface em células solares de perovskita ", publicadas na Nature Materials , testaram várias estruturas de dispositivos diferentes que incorporam MXenes em diferentes partes da célula. Quando os dispositivos foram medidos em relação às células de referência sem o MXene, o grupo constatou que a configuração mais eficiente tinha os materiais integrados em todas as camadas e na interface entre eles.

Aumento de eficiência

"Para melhorar a eficiência das células solares de perovskita, precisamos otimizar a estrutura do dispositivo e a interface principal e as propriedades de massa de cada uma das camadas para melhorar o processo de extração de carga nos eletrodos", disse o pesquisador da NUST MISIS. Danila Saranin. “Juntamente com nossos colegas italianos, realizamos uma série de experimentos incorporando uma quantidade microscópica de MXenes na célula solar de perovskita. Como resultado, conseguimos aumentar a eficiência dos dispositivos em mais de 25% em comparação com os protótipos originais. ”

Os pesquisadores dizem que agora trabalharão na estabilização dos dispositivos MXene de perovskita e no aumento do desempenho. Eles confiam que os dispositivos podem ser expandidos para aplicação comercial. "O principal resultado deste trabalho é a identificação de alterações nas propriedades elétricas dos semicondutores causadas pela introdução do MXenes", disse Anna Pazniak, cientista da NUST MISIS que trabalhou no artigo de pesquisa. "Portanto, este novo nanomaterial tem um grande potencial para uso em produção em larga escala".

Cientistas alemães se unem para criar células de perovskita em tandem

Dois dos principais institutos de pesquisa da Alemanha e um fabricante de módulos CIGS anunciaram planos para trabalhar no desenvolvimento de células tandem perovskita-CIGS com o objetivo de produzir módulos de camada fina com eficiência superior a 30%.

Os parceiros do projeto Capitano trabalharão por três anos em conceitos de módulos tandem de alta eficiência com a tecnologia perovskita-CIGS. - Imagem: KIT / Marcus Breig

O Instituto Alemão de Tecnologia Karlsruhe (KIT), o Centro de Pesquisa em Energia Solar e Hidrogênio Baden-Würtemburg (ZSW) e o fabricante do módulo CIGS Nice Solar Energy anunciaram sua ambição de projetar módulos fotovoltaicos em tandem baseados em CIGS e perovskita, que teoricamente, eles podem atingir eficiências bem acima de 30%.

O projeto conjunto, chamado Capitano, terá duração de três anos e recebeu mais de 5 milhões de euros do Ministério Federal de Economia e Energia da Alemanha.

No projeto, a ZSW se concentrará no desenvolvimento de módulos CIGS adaptados a espectros de absorção específicos para criar a melhor sinergia com uma camada de perovskita e conseguir capturar o máximo possível do espectro de luz. Isso inclui a otimização das camadas de contato intermediárias e transparentes entre as duas células.

Pedido de energia fotovoltaica integrada em edifícios

A contribuição do KIT se concentrará no desenvolvimento de novos materiais e processos para a produção de células e módulos solares de perovskita e na investigação de técnicas de fabricação escaláveis. O instituto diz que se concentrará especialmente nos métodos de moldagem de slots e deposição em fase gasosa. O KIT também desenvolverá um conceito de gerenciamento de luz para os módulos e cuidará dos cálculos de desempenho.

A Nice Solar Energy, com sede na Alemanha, avaliará a produção em escala industrial. A empresa fornecerá módulos CIGS para a produção de produtos em tandem e fará comparações de custos com módulos solares CIGS de conexão única, com base em uma capacidade de produção hipotética de 300 MW.

"Estamos desenvolvendo a próxima geração de módulos solares tandem de camada fina de alta eficiência com uma eficiência de mais de 30%", disse Ulrich W. Paetzold, líder do grupo de pesquisa júnior KIT. "Os campos de aplicação promissores são, por exemplo, módulos solares de alta eficiência para soluções fotovoltaicas integradas em edifícios (BIPV)".

Além do potencial de alta eficiência, os dispositivos em tandem CIGS-perovskita oferecem a perspectiva de módulos solares leves e baratos de processar. O recorde atual de eficiência tecnológica é de 24,6% e foi estabelecido em setembro passado pelo Instituto de Pesquisa Belga IMEC.

A Universidade Nacional da Austrália atinge um novo recorde de eficiência para perovskita

Os cientistas da instituição alcançaram uma eficiência de 21,6% com uma célula de perovskita de 1 cm². O marco foi verificado como um novo recorde mundial para perovskitas desse tamanho.

O Dr. Jun Peng e o Professor Associado Thomas White, com suas células de perovskita de 1 cm², quebraram um recorde. - Imagem: Lannon Harley / ANU

A Universidade Nacional da Austrália estabeleceu um novo recorde de eficiência de 21,6% para uma célula solar de perovskita de junção única de 1 cm².

O recorde foi anteriormente detido pelo Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan da Coréia do Sul, que atingiu 22,1% em uma célula menor de perovskita em 2017, mas excedeu 19,7% quando foi estendido para um centímetro quadrado.

A tabela das Melhores Eficiências de Células de Pesquisa, publicada pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA indica que outra célula de perovskita, desenvolvida em conjunto pelo Instituto de Pesquisa de Tecnologia Química da Coréia e pelo MIT, é de 25,2%, mas não parece que mais detalhes tenham sido publicados.

"Quando eles são muito jovens, é difícil mensurá-los com precisão e não é necessariamente representativo do que aconteceria se eles fossem expandidos", disse o professor associado da ANU, Thomas White. "Portanto, nosso resultado é o mais alto em uma escala que muitos consideram o mínimo: um centímetro quadrado".

Engenharia de nanoestruturas

A última célula que mantém um registro é baseada em um material especialmente projetado com uma nanoestrutura que permite alta tensão e corrente. O Laboratório de Desempenho Fotovoltaico da Organização de Pesquisa Científica e Industrial da Commonwealth certificou o recorde de eficiência da Universidade Nacional da Austrália.

O estudo da ANU recebeu financiamento da Agência Australiana de Energia Renovável.

White observou que o desafio pendente dos perovskitas é a estabilidade e a prova de que eles podem atender às expectativas da indústria por uma vida operacional de 25 a 30 anos. O professor associado disse que o objetivo final da universidade é combinar seus perovskitas em um dispositivo tandem com silício, objetivo que várias empresas estão abordando a realidade, com a expectativa de expandir as linhas de produção em vários locais.

HZB atinge uma eficiência de 23,26% com a célula tandem CIGS-perovskita

Cientistas do centro de pesquisa Helmholtz Zentrum Berlin, na Alemanha, apresentaram um novo recorde mundial de eficiência para uma célula em tandem que combina CIGS e tecnologia de perovskita na quarta-feira na conferência PVSEC da UE em Marselha (França). O desenvolvimento de uma camada de revestimento orgânico entre os dois semicondutores foi fundamental.

HZB

O Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) estabeleceu um novo recorde de eficiência de 23,26% com uma célula tandem de perovskita / CIGS de 1 cm². Isso representa uma melhora significativa em relação aos 21,6% alcançados pelo HZB em fevereiro.

O novo registro significa que a eficiência das células tandem está próxima do recorde de 23,35% de uma célula CIGS autônoma de 1 cm² definida em janeiro pela Solar Frontier. Se os cientistas puderem demonstrar um ganho de eficiência para a estrutura em tandem em uma célula independente, como já foi alcançado com a tecnologia perovskita / silício, a combinação pode despertar um interesse muito maior.

O instituto de pesquisa belga imec também alcançou uma eficiência de 24,6% com um dispositivo tandem perovskita / CIGS em setembro passado, com uma célula de 0,5 cm² e uma estrutura de quatro terminais, evitando perdas de interface CIGS / perovskita.

O registro HZB foi apresentado nesta quarta-feira na conferência PVSEC da UE em Marselha (França) pelo cientista Steve Albrecht, que explicou que uma das principais inovações que permitiram a conquista foi o desenvolvimento de uma camada orgânica entre as duas células, o que reduziu a perdas no eletrodo que separa as duas camadas celulares ativas.

Imagem microscópica da célula fotovoltaica em tandem HZB e da monocamada avermelhada de montagem automática entre as camadas CIGS e perovskita. Imagem: HZB

A camada é baseada em moléculas orgânicas de carbazol combinadas com ácido fosfônico e auto-montadas em uma monocamada que cobre a superfície áspera dos semicondutores. "As SAM [monocamadas auto-montadas] são surpreendentemente simples e robustas", disse Amran Al-Ashouri, um estudante de doutorado da equipe Albrecht. “Isso também permite escalá-los para níveis industriais. Além disso, eles são compatíveis com uma ampla variedade de substratos e seu consumo de material é extremamente baixo. ”

O grupo registrou duas patentes para inovações na célula e espera que seu trabalho acelere o progresso em direção a tecnologias fotovoltaicas perovskitas viáveis ​​e de baixo custo.

Cientistas franceses tentam descobrir os segredos da perovskita negra

A análise de raios X poderia ter resolvido o mistério de como preservar a absorção óptica nas camadas de perovskita. Os pesquisadores dizem que a descoberta pode ajudar a estabilizar o material e acelerar o lançamento de um novo ingrediente para a pesquisa fotovoltaica.

Imagem: KU Leuven

Uma equipe internacional de pesquisadores liderada por Julian Steele, da Universidade KU Leuven, na Bélgica, afirma ter desenvolvido um processo para melhorar a estabilidade térmica de um dos materiais de perovskita mais promissores para aplicações fotovoltaicas: CsPbI3.

"Um dos maiores obstáculos à implantação comercial de células solares de perovskita é a instabilidade", disse Steele. "O custo de seus ingredientes é baixo, sua eficiência dispara, mas sua estabilidade continua sendo um problema".

Todas as variantes de perovskita descobertas até o momento são quimicamente sensíveis. A exposição ao ar, umidade, luz e calor pode alterar suas ligações químicas e degradá-las. Steele disse que a incorporação de césio na formulação de CsPbI3 torna o material mais robusto, mas também introduz instabilidade de fase, o que suscita uma nova preocupação para os fabricantes de células solares sobre se as moléculas mudarão de disposição a qualquer momento. .

O polimorfismo, como é conhecido, é desconcertante para os fabricantes. A mais de 320 graus Celsius, o CsPbI3 adota uma estrutura cristalina que o torna preto e opaco; à temperatura ambiente, ele retorna a uma configuração amorfa que lhe confere uma cor amarelada. Esta última forma reduz consideravelmente a absorção de luz e a eficiência de qualquer célula solar na qual o material é incorporado.

Durante anos, não foi possível esclarecer o processo que governou a transformação de fases no CsPbI3. Os pesquisadores conseguiram impor uma fase cristalina incorporando novos compostos químicos em suas camadas de perovskita ou alterando o tamanho dos cristais que os compunham. No entanto, ninguém conseguiu explicar por que esses truques funcionam. Um quebra-cabeça recorrente se refere ao motivo pelo qual as camadas recozidas em condições idênticas às vezes ficam amarelas e outras pretas quando resfriadas à temperatura ambiente.

Alta tensão

As medições feitas no Centro Europeu de Radiação Síncrotron em Grenoble, França, identificaram recentemente um candidato que pode conduzir a transição de fase: o substrato no qual a camada de perovskita é depositada.

Em um artigo publicado na revista Science , Steele explicou que a união entre a camada de perovskita e a superfície de vidro na qual é aplicada pode causar uma tensão na camada que é capaz de entrelaçar a fase desejada como resultado.

De acordo com o estudo, no qual participaram cientistas de 11 centros de pesquisa de três continentes, a interface entre perovskita e o substrato formado durante o recozimento em alta temperatura é mantida mesmo após o retorno à temperatura ambiente. Se a queda de temperatura for bastante pronunciada, a perovskita poderá reter a malha de vidro da interface e adaptar-se a ela.

A camada de perovskita se estende "como um acordeão" quando aquecida, disse Steele. O investigador principal acrescentou: “Quando esfria, essa camada tenta compactar novamente, mas a interface que se formou com o substrato a mantém estendida. Mostramos em nosso estudo que essa tensão entre a camada de perovskita e o substrato pode ser usada para estabilizar a fase cristalina que forma as camadas de perovskita preta. ”

Por Benedict O'Donnell

Sentindo uma oportunidade para PV interno

Um novo artigo publicado por cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) examina o potencial para integrar pequenas células solares nos sensores sem fio necessários para alimentar o ecossistema de Internet das coisas (IoT), muitos dos quais estão localizados em ambientes fechados. Este mercado pode representar uma oportunidade única para tecnologias fotovoltaicas de filmes finos e perovskitas, em particular, para reduzir o risco inerente ao aumento da produção em escala comercial.

Células solares flexíveis, como esta desenvolvida pela NREL, poderiam permitir uma integração mais fácil com os sensores e os nós da internet das coisas, de acordo com um novo estudo do MIT. Imagem: Dennis Schroeder / NREL

Cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) delinearam o que poderia ser uma oportunidade significativa para novos fabricantes de energia solar, na forma de 'PV indoor'.

De acordo com o MIT, o mercado de células fotovoltaicas internas, como as usadas para turbinar relógios e calculadoras, valia apenas US$ 140 milhões em 2017. Mas as reduções de preço da energia solar estão começando a se alinhar com a diminuição de requisitos de energia para tecnologias como sensores sem fio , Etiquetas RFID e beacons Bluetooth. O MIT prevê que bilhões desses sensores serão instalados nos próximos anos, além de afirmar que sua dependência atual de energia da bateria é um fator importante de restrição, levando a um desempenho sacrificado para maior vida útil da bateria e operações adicionais e custos de manutenção associados à substituição dessas baterias .

A integração de células fotovoltaicas aos dispositivos poderia resolver muitos desses problemas, levando a universidade a prever um boom no mercado fotovoltaico interno, superando US$ 1 bilhão anualmente em 2024. Cerca de metade dos sensores devem ser colocados em ambientes fechados, com pouca ou nenhuma acesso à luz solar, significando que as células fotovoltaicas teriam que contar com luz artificial, tipicamente em intensidades três ordens de grandeza abaixo da luz solar.

Matéria material

A análise do MIT, explicada no artigo Tecnologia e Perspectiva do Mercado para Células Fotovoltaicas Internas, publicado na revista Joule, sugere que o baixo desempenho de luz fraca do silício não o tornaria um bom candidato para aplicações fotovoltaicas internas, abrindo a porta para vários filmes finos. tecnologias.

Tecnologias emergentes, incluindo PV e perovskitas orgânicas, exibiram o tipo de desempenho de pouca luz necessário para a PV interna, e seus problemas de estabilidade bem documentados seriam menos problemáticos em ambientes internos. O tipo de sensor que está sendo alimentado pode ter uma vida útil muito mais curta que os 20 anos mais, o que se tornou o padrão da indústria.

Para os perovskitas em particular, o MIT teoriza que o mercado interno de PVs pode fornecer uma oportunidade para mitigar muitos dos riscos associados à introdução comercial: “Nossa análise de mercado neste documento deixa claro que o rápido crescimento do mercado interno de IoT poderia fornecer um ideal ponto de partida para produtos de perovskita, permitindo que uma nova empresa de PV estabeleça clientes, receita e credibilidade antes de estabelecer instalações de fabricação de painéis solares de grande escala ”, afirmam os autores.

Volume baixo

As impressionantes reduções de custos alcançadas pela solar até agora resultaram de economias de escala, algo que terá de ser totalmente desconsiderado quando se trata de PV interno - o que significa que o baixo investimento em equipamentos e processos de produção é uma consideração importante. A análise do MIT prevê que para materiais de película fina estabelecidos, bem como perovskitas e outros novos entrantes, os custos de fabricação devem ser baixos o suficiente, embora seja necessário mais trabalho para entender o impacto do investimento inicial em produção de menor volume .

Ao prever uma taxa de crescimento de mercado anual de 70% para dispositivos fotovoltaicos alimentando sensores de IoT, os pesquisadores observam três coisas necessárias para garantir esse desenvolvimento de mercado - um conjunto de padrões universais para medir o desempenho de PVs internos, o desenvolvimento de dispositivos especialmente ajustados a esse ambiente e o desenvolvimento de modelos de custo e de negócios para fabricação de baixo volume.

Outra rota para perovskitas de alto desempenho

Cientistas da Pennsylvania State University desenvolveram uma nova classe de materiais de perovskita, que, segundo eles, exibe propriedades únicas que podem ter várias implicações para o desenvolvimento de células solares de perovskita, bem como outras aplicações eletrônicas.

Imagem: Penn State

Uma classe de materiais de perovskita bidimensional sintetizados por uma equipe de cientistas da Universidade Estadual da Pensilvânia exibiu um conjunto único de propriedades, que a equipe diz que poderia abrir novos caminhos para o desenvolvimento de células solares e outros dispositivos eletrônicos baseados em a tecnologia.

A principal descoberta em sua pesquisa é que o material é altamente condutor em suas bordas e isolante em seu núcleo. "Encontramos um material que tem propriedades completamente diferentes ao longo das bordas em comparação com o núcleo", explicou Shashank Priya, professor de ciência e engenharia de materiais e vice-presidente associado de pesquisa da Penn State. "É muito incomum que a corrente possa fluir nas bordas e não no centro de um material, e isso tem implicações enormes para o projeto de arquiteturas de células solares."

O material, descrito no documento Distinto estado da aresta da camada condutora na perovskite bidimensional (2D), publicado na revista Science Advances, compreende camadas empilhadas alternadamente de uma camada à base de hidrocarbonetos orgânicos e uma camada de cristais inorgânicos de haleto de chumbo. A célula é construída dessa maneira para que a camada orgânica proteja os cristais da umidade, o que causaria a degradação. No entanto, neste caso, observou-se que a estrutura em camadas tinha grandes variações na condutividade.

De acordo com os pesquisadores, o aproveitamento dessas propriedades poderia proporcionar um aumento de eficiência para a tecnologia solar, criando caminhos adicionais para uma carga passar pelo dispositivo. Eles também teorizam que isso poderia abrir novas possibilidades no campo da nanoeletrônica e também ser um bom candidato para uso em nanogeradores triboelétricos, que transformam movimento em eletricidade. "Em toda a extensão desses materiais, você tem uma junção entre metal e semicondutor, e há muitos dispositivos hipotéticos propostos com base nessa junção", disse Priya.

Cientistas estabelecem novo recorde de eficiência para perovskita de cristal único

Cientistas da Universidade da Ciência e Tecnologia King Abdullah da Arábia Saudita estabeleceram um novo recorde de eficiência de 21,09% para uma única perovskita de cristal. Os pesquisadores dizem que isso destaca um lugar para a tecnologia se desenvolver ao lado das versões multicristalinas que estão progredindo em direção à comercialização.

Edifícios de laboratório no campus da KAUST em Thuwal, Arábia Saudita. 

Imagem: AT / Wikimedia Commons

Uma equipe de cientistas da Universidade King Abdullah de Ciência e Tecnologia (KAUST) na Arábia Saudita desenvolveu um método para o crescimento de perovskitas de um único cristal e alcançou uma eficiência recorde de ajuste para esta tecnologia em 21,09%.

Enquanto certas configurações de perovskita estão muito longe da comercialização , o potencial mais amplo da tecnologia para células solares de alta eficiência é bem conhecido, e universidades e institutos de pesquisa em todo o mundo estão trabalhando em uma infinidade de diferentes configurações e processos para obter o máximo proveito esta estrutura cristalina.

Este último avanço da KAUST diz respeito às perovskitas de cristal único. Embora os benefícios da mudança do crescimento de cristais múltiplos para monocristais em silício sejam bem conhecidos, em perovskitas isso tem se mostrado desafiador até agora. As questões de estabilidade que têm atormentado o desenvolvimento da tecnologia derivam principalmente da tendência de os cristais crescerem de forma desordenada, com um elevado número de defeitos, muitos dos quais aparecem no limite de grão entre dois cristais individuais.

Desafio a pena

Cultivar uma única perovskita de cristal pode ser uma maneira de eliminar muitos desses defeitos; e é, portanto, visto pela KAUST e vários outros institutos de pesquisa como um desafio que vale a pena superar. "Raciocinamos que esses cristais individuais oferecem uma chance para a tecnologia de células solares de perovskita superar essas limitações e chegar o mais perto possível do limite teórico de eficiência", diz Omar Mohammed, professor assistente de ciência química na KAUST e co-autor do estudo. trabalho de pesquisa.

Mohammed e sua equipe produziram monocristais de triiodeto de chumbo metilamônio (MAPbI 3) usando um método onde o processo de cristalização foi iniciado entre dois substratos revestidos com polímero que restringem fisicamente o crescimento do cristal a uma dimensão. O seu método e os dispositivos produzidos são descritos no documento Single-Crystal MAPbI 3 Células Solares de Perovskite com Eficiência de Conversão de Energia de 21%, publicado na revista ACS Energy Letters .

Os cristais produzidos tinham 20 micrômetros de espessura. Estes foram então processados ​​com cobre para criar células solares medindo 1mm², o que alcançou a eficiência máxima de 21,09%. A equipe diz que eles ficaram surpresos com os resultados, e espera enfrentar o problema do crescimento de filmes cristalinos muito mais finos que 20 micrômetros, o que eles descrevem como "extremamente desafiador".

Enquanto os cristais simples de perovskita teriam que ser cultivados muitas vezes maiores do que os 3-6mm alcançados aqui para ser de qualquer interesse comercial, os pesquisadores dizem que a alta eficiência alcançada destaca o potencial de cristais individuais no desenvolvimento de dispositivos solares baseados em perovskita.

Cientistas russos enviam PV orgânico em órbita

Cientistas do Instituto Skoltech de Ciência e Tecnologia da Rússia demonstraram uma célula solar com alta estabilidade de radiação. Os cientistas dizem que as células, baseadas em um composto de polímero orgânico, podem ser um forte candidato para atender aos requisitos de alimentar satélites em órbita mais baixa da Terra.

O uso de células solares orgânicas para alimentar satélites pode oferecer uma enorme economia de custos. Imagem: Skoltech

Uma equipe liderada pelo Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia (Skoltech) em Moscou demonstrou uma célula solar orgânica capaz de suportar 6.000 unidades cinzas (Gy) de radiação gama, uma conquista que o instituto diz que é um recorde.

O desempenho gera esperanças de que a célula possa alimentar satélites em órbita próxima à Terra, onde os pesquisadores teorizaram que o dispositivo poderia fornecer vidas úteis operacionais muito além de 10 anos.

As células são descritas no artigo Estabilidade de radiação impressionante de células solares orgânicas baseadas em derivados de fulereno e polímeros conjugados contendo carbazol, publicado na ACS Applied Materials & Interfaces . Os dispositivos são baseados em uma mistura de polímeros à base de carbazol e um derivado de fulereno.

Os testes mostraram que um filme composto desses materiais mantinha mais de 80% de sua eficiência de conversão inicial após a exposição a uma dose máxima absorvida de 6.500 Gy. Os pesquisadores observaram que a NASA estima que os satélites em órbita terrestre geocêntrica estão expostos a uma dose média anual de radiação de 160 Gy, tornando o composto orgânico testado pela equipe da Skoltech um forte candidato a operar efetivamente nesse ambiente por mais de uma década.

Outras vantagens

O artigo observou outras vantagens do uso de PV orgânico para aplicações de satélite, incluindo uma alta relação potência / peso e flexibilidade. "A implantação de velas solares espaciais feitas de células solares plásticas flexíveis representa uma oportunidade atraente para aumentar a potência dos conversores fotoelétricos nos satélites", disse Pavel Troshin, professor da Skoltech, que liderou o grupo de pesquisa.

O mesmo grupo recentemente avaliou um grupo de perovskitas à base de chumbo para aplicações semelhantes e descobriu que as células rapidamente se degradaram sob exposição a 5.000 Gy de radiação. Enquanto isso, um grupo de pesquisa chinês descobriu que a falta de umidade no oxigênio a 35 km da superfície da Terra era uma vantagem para a perovskita.

Os satélites que requerem uma fonte de energia no espaço dependem principalmente de células solares III-V - assim nomeadas porque incorporam elementos desses grupos da tabela periódica. Conceitos alternativos, como PV orgânico e perovskitas, no entanto, potencialmente oferecem uma alternativa muito mais barata.

Cientistas russos enviam PV orgânico em órbita

Cientistas do Instituto Skoltech de Ciência e Tecnologia da Rússia demonstraram uma célula solar com alta estabilidade à radiação. Os cientistas dizem que as células, baseadas em compostos orgânicos poliméricos, podem ser um forte candidato para atender às exigências de alimentar satélites na órbita inferior da Terra.

O uso de células solares orgânicas para satélites de energia poderia oferecer uma enorme economia de custos. Imagem: Skoltech

Uma equipe liderada pelo Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia (Skoltech), em Moscou, demonstrou uma célula solar orgânica capaz de resistir a 6 mil unidades de radiação gama (Gy), uma conquista que, segundo o instituto, é recorde.

O desempenho gera esperanças de que a célula possa alimentar satélites na órbita próxima da Terra, onde os pesquisadores teorizaram que o dispositivo poderia oferecer vida útil operacional muito além de 10 anos.

As células são descritas no artigo Estabilidade à Radiação Impressionante de Células Solares Orgânicas Baseadas em Derivados de Fulereno e Polímeros Conjugados Contendo Carbazol ,publicados na ACS Applied Materials & Interfaces . Os dispositivos baseiam-se numa mistura de polímeros à base de carbazole e um derivado de fulereno.

Os testes mostraram que uma película composta desses materiais manteve mais de 80% de sua eficiência de conversão inicial após a exposição a uma dose máxima absorvida de 6.500 Gy. Os pesquisadores observaram que a NASA estima que os satélites geocêntricos da órbita da Terra sejam expostos a uma dose anual média de radiação de 160 Gy, fazendo com que o composto testado pela Skoltech seja um forte candidato a operar efetivamente em tal ambiente por mais de uma década.

Outros aspectos positivos

O documento observou outras vantagens do uso de PV orgânico para aplicações de satélite, incluindo uma alta relação potência / peso e flexibilidade. "A implantação de velas solares espaciais feitas de células solares plásticas flexíveis representa uma oportunidade atraente para aumentar o poder dos conversores fotoelétricos nos satélites", disse o professor da Skoltech, Pavel Troshin, que liderou o grupo de pesquisa.

O mesmo grupo recentemente avaliou um grupo de perovskitas baseadas em chumbo para aplicações semelhantes e descobriu que as células rapidamente se degradaram sob exposição a 5.000 Gy de radiação. Um grupo de pesquisa chinês, por sua vez, descobriu a falta de umidade no oxigênio a 35 km da superfície da Terra , aproveitando a vantagem da perovskita .

Os satélites que exigem uma fonte de energia no espaço dependem principalmente de células solares III-V - assim chamadas porque incorporam elementos desses grupos da tabela periódica. Conceitos alternativos, como PV orgânico e perovskitas, no entanto, potencialmente oferecem uma alternativa muito mais barata.

Miasolé estabelece novo registro flexível de eficiência do CIGS

A subsidiária da Hanergy, baseada nos Estados Unidos, Miasolé, alcançou um recorde de eficiência de conversão de 17,44% para um módulo CIGS flexível de grande área. O registro foi confirmado pelo Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar.

Em janeiro, a Solliance incluiu a tecnologia CIGS da Miasole em uma célula em tandem com perovskita que alcançou 21,5% de eficiência. Imagem: Solliance

A Miasolé anunciou hoje que atingiu 17,44% de eficiência com um módulo flexível que usa a tecnologia de cobre selênio de índio e gálio (CIGS). A conquista foi confirmada de forma independente pelo Fraunhofer ISE e será adicionada à coleção de registros de PV na revista Progress in Photovoltaics.

O recorde foi alcançado em um módulo com área de abertura de 1,08m², produzido na linha de produção da Miasolé em Santa Clara, Califórnia. O material da célula CIGS foi depositado em um substrato flexível por meio de um processo de deposição de vapor físico, segundo a empresa, produz células solares de alta eficiência com alto rendimento.

A tecnologia CIGS tem potencial para a produção de módulos solares leves e flexíveis. Embora tenha sido produzido comercialmente em pequenas quantidades durante anos, o interesse industrial na tecnologia cresceu nos últimos anos, com vários gigawatts de nova capacidade de produção aumentando na Ásia.

De acordo com Miasolé, a tecnologia flexível CIGS desenvolvida pode ser usada na construção ou mesmo em painéis integrados a veículos. "Continuaremos a liderar o setor fornecendo produtos inovadores e poderosos que permitem novas aplicações para energia solar", disse o diretor de tecnologia Atiye Bayman.

A subsidiária Hanergy Solibro detém o recorde de eficiência CIGS em um módulo solar rígido tradicional desde o início de 2018, enquanto o fabricante japonês Solar Frontier - que produziu módulos CIGS comercialmente por décadas - estabeleceu o recorde mundial para a tecnologia em 22,9%, alcançado em uma célula de 1cm².

Vários institutos de pesquisa líderes, incluindo a imec e a Solliance, relataram eficiências bem acima de 20% para células em série combinando camadas de perovskita e CIGS. Em janeiro, este último relatou 21,5% de eficiência para uma célula em tandem, cuja camada CIGS foi fornecida por Miasolé.

Cientistas da EPFL desenvolve procedimento de caracterizar a estabilidade as células de perovskita

Cientistas que trabalham na École Polytechnique Fédérale de Lausanne, no laboratório do renomado cientista fotovoltaico Michael Grätzel, desenvolveram um novo método para testar células solares de perovskita que, segundo eles, combina as vantagens dos testes laboratoriais e externos e contribuirá para a criação de padrões industriais. para caracterizar a estabilidade da perovskita.

Células de perovskita no laboratório da EPFL. Imagem: W. Tress / EPFL.

Uma equipe de pesquisadores da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) desenvolveu um novo método para avaliar a estabilidade das células solares de perovskita, que, segundo eles, elimina várias das desvantagens inerentes ao laboratório e ao teste externo de tais dispositivos.

A abordagem da equipe, descrita no artigo Performance of perovskite solar cells under simulated temperature-illumination real-world operating conditions , publicado na Nature Energy , é centrada em simular condições realistas de irradiação e temperatura em um laboratório, que os pesquisadores dizem que elimina a necessidade de um encapsulante e, portanto, permite que eles eliminem os mecanismos de falha relacionados a esse elemento, e não no próprio material da perovskita.

Os dados meteorológicos de uma estação próxima em Lausanne foram usados ​​para reproduzir perfis de temperatura e irradiância reais de dias específicos em um laboratório, permitindo que os cientistas quantificassem o desempenho do dispositivo em condições realistas.

Degradação recuperada após o anoitecer

Suas descobertas mostraram que as células não foram dramaticamente afetadas pelas variações de temperatura e irradiância do "mundo real" e que, enquanto alguma degradação da eficiência da célula ocorreu durante o "dia", ela foi recuperada após o anoitecer. Isso pode ser visto como problemas de estabilidade de evidências que impediram o desenvolvimento comercial de perovskitas por tanto tempo terem sido resolvidos. No entanto, muitos desses obstáculos à produção em massa relacionados às células entram em contato com a umidade, uma ocorrência que não foi discutida nos resultados da EPFL.

O instituto tem sido um líder na investigação do desempenho de células de perovskita e no desenvolvimento de medições padrão para vários aspectos, incluindo envelhecimento e degradação.

"O termo 'estabilidade' é usado de forma ampla e avaliada de várias maneiras, o que significa que diferentes grupos estão executando diferentes raças", diz o resumo do trabalho de pesquisa. “Para a aplicação, apenas os rendimentos de energia que podem ser alcançados em operações reais a longo prazo importam”.

Iodeto de cobre, outra opção para estabilizar células de perovskita

Uma equipe de pesquisa dos institutos russos NUST MISIS e IPCE RAS e da Universidade de Roma Tor Vergata da Itália aplicou uma camada adicional de semicondutor de iodeto de cobre tipo p entre a perovskita e a camada de NiO de transporte em buracos da célula. Segundo os cientistas, este material inorgânico é mais acessível e fácil de usar.

Imagem: Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia MISiS

Um grupo russo-italiano de cientistas está tentando usar o iodeto de cobre (CuI) para melhorar a estabilidade das células da perovskita.

Em um artigo publicado na revista científica Materials, pesquisadores dos institutos russos NUST MISIS e IPCE RAS e da Universidade de Roma Tor Vergata da Itália aplicaram uma camada adicional de semicondutor de iodeto de cobre tipo p, feito de molécula de iodo de chumbo metilamônio (MAPbI3). ), para uma célula de perovskita para passivação de superfície eficiente.

Segundo os autores, a camada fotoativa MAPbI3 cristaliza na superfície de uma camada de transporte do tipo p carregando cargas positivas e não demonstra rápida degradação quando exposta à luz quando acompanhada pela liberação de compostos de iodo similares ao material de perovskita usado. “Como sabemos, sob iluminação constante e subseqüente aquecimento de células solares de perovskita com uma camada fotoativa de MAPbI3, o iodo livre e ácido hidrogênio são liberados, o que prejudica a interface entre as camadas de perovskita e NiO, formando um conjunto de defeitos e reduzindo significativamente a estabilidade e o desempenho do dispositivo ”, disse Danila Saranin, pesquisadora do NUST MISIS Laboratory for Advanced Solar Energy.

A camada-p adicional permitida é discutida para permitir uma melhor coleta de cargas positivas e consideravelmente menor a concentração de defeitos na transição entre as camadas de fotoabsorção e de transporte de furo.

Os pesquisadores também afirmam que Cul, ao contrário de outros materiais raros e caros, como derivados de compostos organometálicos de ferroceno e semicondutores orgânicos de baixo peso molecular, é um material inorgânico mais acessível e mais fácil de usar. “Essa hipótese foi comprovada pelos resultados do experimento: a melhora da estrutura do elemento perovskita aumentou a estabilidade de seu trabalho em uma média de 40%, e a eficiência aumentou para 15,2%”, segundo o estudo.

Como próximo passo, os cientistas planejam desenvolver uma camada análoga para estabilizar a transmissão de cargas negativas e reproduzir a mesma tecnologia em um módulo de grande formato.

Pesquisa semelhante foi recentemente conduzida por, entre outros, a Universidade da Califórnia em San Diego, a UCLA e a fabricante chinesa de módulos Solargiga, a Universidade de Groningen, na Holanda, e a Universidade de Pequim.

Apesar da proliferação de projetos de pesquisa promissores, a estabilidade, a durabilidade e o custo das células solares de perovskita continuam sendo problemáticos para a viabilidade técnica da comercialização.

MIT trabalha para refinar o fluxo de perovskitas promissoras

Cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveram um processo acelerado de seleção de novos compostos de perovskita à medida que buscam aqueles com potencial para serem usados ​​em células solares de alta eficiência. De acordo com o MIT, o processo acelera a síntese e análise de novos compostos por um fator de dez e já destacou dois conjuntos de materiais que merecem um estudo mais aprofundado.

Os pesquisadores do MIT afirmam ter reduzido drasticamente a escala de tempo para identificar combinações adequadas de perovskita solar. Imagem: Nick Stenning / Wikimedia Commons.

A indústria solar e a comunidade de pesquisa já investiram uma quantidade enorme de trabalho em um ou dois materiais de perovskita que mostraram potencial para geração de energia solar altamente eficiente.

O termo perovskita, no entanto, refere-se a uma classe de materiais com uma estrutura cristalina particular e abrange um número enorme - “praticamente ilimitado”, de acordo com o Massachusetts Institute of Technology (MIT) - de possíveis combinações de materiais.

Pesquisando através deles para identificar materiais com forte potencial de células solares é, portanto, um processo lento. A modelagem computacional pode ajudar a restringir os candidatos, como demonstrou o recente trabalho da Universidade da Califórnia em San Diego, mas, para certeza absoluta, os cientistas precisam passar pelo meticuloso processo de sintetizar e analisar materiais no laboratório.

Cientistas do MIT dizem que foram capazes de acelerar o processo em dez vezes, desenvolvendo um sistema que permite testes paralelos de uma grande variedade de materiais e emprega aprendizado de máquina para avançar ainda mais as coisas. Tonio Buonassisi, professor de engenharia mecânica do MIT, disse que sua equipe pretende reduzir o tempo de desenvolvimento de novos materiais de conversão de energia para menos de dois anos.

Aprendizado de máquina

Buonassisi explicou que a maioria das melhorias na velocidade vem do acompanhamento e do cronograma das etapas envolvidas, aumentando o número de materiais a serem testados simultaneamente. "Agora podemos acessar uma grande variedade de composições diferentes usando a mesma plataforma de materiais", disse ele. "Isso nos permite explorar uma vasta gama de espaço de parâmetros."

A adição de técnicas de aprendizado de máquina reduz ainda mais o tempo gasto. A equipe usou a difração de raios X para observar detalhes da estrutura de um material e aprendizado de máquina aplicado para classificar os resultados. Isso, disse o MIT, reduziu o tempo necessário de 3-5 horas para pouco mais de cinco minutos, mantendo 90% de precisão.

No documento Accelerated Development de Perovsite Inspired-Materials via High Throughput Synthesis e Machine Learning Diagnosis - publicado na revista Joule - a equipe descreveu a aplicação do processo a 75 formulações, levando à descoberta de duas novas perovskitas sem chumbo, dignas de mais investigação. como potenciais materiais de células solares.

Agora, os pesquisadores planejam usar mais a automação para continuar aumentando a velocidade de processamento para classificar novos materiais. Buonassisi diz que outra das metas de sua equipe é gerar preços de energia solar economicamente sustentáveis ​​abaixo de US $ 0,02 / kWh. "Tudo o que você precisa fazer é produzir um material", diz ele. "Estamos colocando todas as peças experimentais no lugar para que possamos explorar mais rapidamente."

Cinco módulos PV quentes e takeaways de células da SNEC

Apesar de não contar com a enxameação de multidões de anos anteriores, a SNEC de 2019 em Xangai permaneceu como um ponto focal da indústria fotovoltaica global quando se trata de fabricação e tecnologia de células solares industriais e módulos. Aqui estão cinco dicas de tecnologia da equipe da revista pv no show floor e nas sessões da conferência.

Módulos pavimentados em exibição na SNEC 2019. Imagem: revista pv / Dave Tacon.

A humilde célula solar percorreu um longo caminho em dez anos e, de certa forma, parece que o ritmo da mudança está se acelerando. No entanto, os fabricantes de energia solar permanecem conservadores quando se trata de novas tecnologias e as mudanças incrementais, e não incrementais, ainda são a norma. Incremental ainda pode ser poderoso, especialmente quando executado em escala.

Eficiência e potência continuam a subir

Aumentos crescentes de eficiência de módulos e células estavam em exibição na SNEC este ano. Já se foram os dias em que os pontos de referência, como um módulo de 400 Wp ou 20% de célula de contato posterior com emissor passivo PERC, eram a palavra final. As melhorias mais recentes parecem estar ocorrendo em um ritmo mais rápido do que anteriormente, com transições de grande escala para conceitos de células de alta eficiência e a adoção de novas tecnologias de módulos sendo implantadas quase da noite para o dia.

Multidões no SNEC deste ano. Imagem: revista pv / Dave Tacon

O impulso por trás do mono PERC estava claro na SNEC. Algumas das conquistas de eficiência alcançadas usando o mono PERC - juntamente com um emissor seletivo - foram excelentes. Produtores como a Risen estão buscando um roteiro de eficiência celular ao norte de 22,5% na tecnologia PERC tipo p. Na parte frontal do módulo, foram implantadas abordagens pavimentadas - onde as células com metade do corte se sobrepõem ligeiramente na vertical. A técnica pavimentada vai por vários nomes, incluindo azulejos ou sem intervalos. Os visitantes também viram a técnica de interconexão de células de solda sem costura, o que exige fitas de interconexão mais flexíveis e alguns provedores de longarina podem fornecer equipamentos automatizados. A vantagem pode ser considerável, com os fabricantes de módulos afirmando que isso poderia levar a saída do módulo de grande formato para 500 W.

Olhando para o futuro, alguns visitantes da SNEC previram que os atuais roteiros de aprimoramento de eficiência de célula e módulo poderiam ser muito conservadores. Alguns acreditam que os módulos de 500 Wp dos fabricantes tradicionais podem ser apresentados já no próximo ano, com wafers maiores e formam um fator. Em termos de célula, a eficiência de conversão de 25% pode não estar muito distante. Para que as eficiências das células atinjam esse marco, novas tecnologias serão necessárias, com o PERC tendo atingido seu limite fundamental. Em comparação, o 10º Roteiro Tecnológico Internacional para o Relatório Fotovoltaico publicado pela Associação Alemã da Indústria de Engenharia Mecânica espera que os módulos de 144 meios celulares atinjam 420 Wp para o PERC mono em 2029.

Mono PERC, TOPCon tipo n, HJT e talvez perovskita

Roteadores de tecnologia de células solares entre os principais fabricantes continuam a incorporar a evolução em vez da revolução, embora haja sinais de que poderiam estar mudando. Atualizações PERC de linhas de células continuam a ser feitas, com mono PERC absolutamente mainstream.

O próximo passo para as linhas de produção parece ser uma mudança para os contatos seletivos de portadores passivados de óxido tipo n e TOPCon - em particular. A atualização de uma linha de célula PERC tipo-p para o TOPCon tipo n não é um desafio pequeno, mas a despesa não é proibitiva, de acordo com alguns fabricantes. Vale a pena notar, porém, que neste estágio de seu desenvolvimento, algumas linhas TOPCon não estão fornecendo um aumento de eficiência tão significativo no PERC - particularmente quando as células são incorporadas em um módulo. Por exemplo, os módulos exibidos pela Trina Solar implementaram o PERC mono e o TOPCon lado a lado na SNEC 2019, com eficiências de módulo de 20,4% e 20,7%, respectivamente.

Para novas linhas celulares, parece haver uma verdadeira tecnologia de apetite por heterojunção (HJT), com os fabricantes executando linhas-piloto ou anunciando planos significativos de expansão de HJT. A Tongwei informou que começará a produção em uma linha de heterojunção de 400 MW em julho, com planos de expansão para 1 GW no próximo ano. Ressuscitou planos de construir uma heterojunção de 2,5 GW com os primeiros 500 MW de equipamentos instalados até o final do próximo ano.

E parece haver um potencial considerável para a HJT fornecer um grande aumento nas eficiências. O fabricante cingapuriano REC divulgou sua linha de módulos Alpha HJT na Intersolar no mês passado. O fornecedor de equipamentos HJT é a Meyer Burger e durante a SNEC o fabricante de ferramentas suíço disse que com engenheiros experientes executando a linha HJT em plena produção, grandes ganhos de eficiência acima dos resultados iniciais de cerca de 22,4% no nível do módulo seriam esperados - 25% de eficiência celular marco pode estar à vista.

Uma perovskita Centrotherm em exibição na SNEC. Imagem: revista pv / Dave Tacon.

Olhando para o futuro, as perovskitas foram amplamente discutidas durante a SNEC e exibidas por um punhado de fabricantes e fornecedores de equipamentos. Centrotherm da Alemanha mostrou suas células de perovskita como "o próximo passo" na fabricação de PV. A equipe PV de Oxford estava presente e o chefe de tecnologia Chris Case fez uma apresentação muito falada sobre o potencial LCOE (custo nivelado de eletricidade) das células HJT tandem de alta eficiência. Para não ficar para trás, as empresas chinesas também estão ativas na tecnologia. O fabricante de células Tongwei está a meio caminho de um projeto de pesquisa e comercialização de três anos e exibiu uma célula de perovskita em seu estande. Startups perovskitas caseiros, como a Hangzhou Microquanta, também estão buscando a tecnologia.

Wafers são grandes e mono-like

Uma maneira aparentemente simples de aumentar a eficiência, particularmente em um nível de módulo, é aumentar o tamanho dos wafers PV. Enquanto os movimentos graduais para aumentar os tamanhos de wafer já foram discutidos há algum tempo, Longi está liderando wafers de 166 mm em um esforço para torná-los o novo padrão. O gigante mono não está sozinho, com a Jinko implantando wafers maiores em sua série Swan.

Os desafios permanecem para os wafers maiores, particularmente quando incorporados em módulos necessariamente maiores. A alteração do fator de forma do módulo pode torná-los inadequados para projetos de repotencialização ou alguns projetos de rooftops comerciais e industriais.

Com o mono continuando a demonstrar uma competitividade superior ao PV multicristalino, o que os fabricantes farão com suas muitas dezenas de GW de capacidade de produção multicristalina? Uma resposta em potencial veio na forma de elenco mono, também conhecido como mono-like ou quase mono. Embora a tecnologia já exista há algum tempo, parece que numerosos produtores de lingotes e bolacha estão dobrando os esforços para aumentar o rendimento semelhante ao mono. Ao contrário do mono, apenas parte do lingote fundido é de estrutura e desempenho monocristalino. A melhor maneira de lidar com as seções externas do lingote, provavelmente multicrystalline de baixa qualidade, permanece uma questão em aberto.

Questões de propriedade intelectual

Foi há apenas um ou dois anos que a tecnologia de módulos shingled era de ponta, porque reduzia o espaço do módulo morto, maximizando a produção. Módulos de telha foram menos prevalentes neste ano, no entanto, com os visitantes atribuindo a mudança para as preocupações de PI. Representantes da SunPower - que demonstrou sua disposição de proteger agressivamente seu IP - estiveram presentes em Xangai, à medida que a empresa busca expandir sua série de módulos Maxeon made-in-China.

Em alguns círculos, a China tem sido descrita como o Velho Oeste quando se trata de tecnologia solar IP. Críticos alegam que produtos falsificados surgiram em toda a cadeia de suprimentos chinesa e, se fosse esse o caso, por que as preocupações com PI só estão surgindo agora?

Poderia haver duas dinâmicas em jogo. Em primeiro lugar, o mercado doméstico chinês tornou-se cada vez mais incerto em face de mudanças regulatórias, exigindo que os fornecedores chineses procurassem no exterior compradores - para mercados onde eles encontrarão pedidos de PI. A segunda é as ações judiciais PERC da Hanwha Q Cells, lançadas em partes da Europa, EUA e Austrália. Pode muito bem acontecer que essa importante ação legal, que afeta alguns fornecedores chineses, possa ter aguçado o foco da indústria em PI.

Consolidação crescente

Embora esteja longe de ser o caso de a indústria de PV da China estar com dificuldades, há sinais de que a consolidação há muito esperada está ganhando força. Curiosamente, parece que isso afetará não apenas as empresas Nível 2 ou 3, mas também os principais participantes, embora saídas potenciais de nível 1, aquisições ou fusões estejam sendo discutidas como rumores nesta fase, em vez de anúncios oficiais. A revista pv estará acompanhando os leads nas próximas semanas.

O Tongwei fica em Xangai. Imagem: revista pv / Dave Tacon.

Juntamente com esses rumores informais, também houve transações significativas de fornecimento e transações anunciadas durante a SNEC. Uma participação majoritária na GCL New Energy Holding foi vendida para a China Huaneng Group, um dos maiores grupos estatais de energia da China. A GCL também anunciou 6 GW de contratos de fornecimento mono wafer para a CSI, Chint, Sunport e Akcome.

O gigante de telefonia celular Tongwei Group disse que fez uma parceria com a Longi em uma parceria estratégica que dará a este último acesso preferencial ao polissilício da Tongwei, enquanto a Tongwei pode garantir o fornecimento de wafers mono da Longi para seu negócio de células.

O melhor de ambos - pontos quânticos e perovskitas se unem para um desempenho estável

Mengxia Liu, principal autor do artigo sobre a combinação de perovskitas e pontos quânticos em um dispositivo híbrido.

Perovskitas e células solares de pontos quânticos têm potencial para uso em dispositivos fotovoltaicos de alta eficiência, mas têm grandes desafios a superar para serem uma realidade comercial. Cientistas da Universidade de Toronto descobriram que, se as duas tecnologias forem combinadas da maneira certa, elas podem se estabilizar.

Cientistas da Universidade de Toronto combinaram dois materiais promissores de tecnologia de células solares - ponto quântico e perovskita - em um único dispositivo.

Ambos os materiais oferecem o potencial para dispositivos fotovoltaicos de alta eficiência e baixos custos de produção, mas são retidos por uma série de problemas, principalmente instabilidade sob condições cotidianas, onde o calor e a umidade que eles enfrentam causa rápida degradação.

Ao combinar os dois em uma estrutura híbrida, no entanto, os pesquisadores de Toronto descobriram que os materiais se estabilizaram mutuamente. A equipe criou dois dispositivos, que são descritos no papel Lattice ancoragem estabiliza semicondutores processados ​​por solução, publicado na revista Nature .

Um dos dispositivos compreendia uma estrutura de ponto quântico com cerca de 15% de perovskitas, principalmente para uso como célula solar. O outro era composto de perovskitas com pouco menos de 15% de materiais de pontos quânticos e destinado principalmente para uso como um LED.

Estabilidade

A equipe relatou que o material rico em perovskita permaneceu estável a 25 graus Celsius e 30% de umidade por seis meses. No dispositivo de ponto quântico, a agregação de nanopartículas - que comumente afeta o desempenho - foi um quinto que foi observado em dispositivos que usam o mesmo material sem perovskita.

Os pesquisadores agora esperam ver seus resultados aproveitados pela indústria e gostariam de testes realizados para buscar sinergias entre outros materiais similares. "Pesquisadores industriais poderiam experimentar usando diferentes elementos químicos para formar as perovskitas ou pontos quânticos", disse o principal autor do estudo, Mengxia Liu, agora pós-doutorado na Universidade de Cambridge. "O que mostramos é que essa é uma estratégia promissora para melhorar a estabilidade nesses tipos de estruturas".

Liu elogiou o ambiente de trabalho colaborativo que ajudou a levar à descoberta, acrescentando: “A perovskita e os pontos quânticos têm estruturas físicas distintas e as semelhanças entre esses materiais têm sido geralmente negligenciadas. Esta descoberta mostra o que pode acontecer quando combinamos ideias de diferentes campos. ”

Revolução nos painéis solares fotovoltaicos está eminente

Cientistas americanos prometem revolução nas eficiências dos painéis solares. Através do desenvolvimento de novos materiais, equipas de cientistas americanos, acredita que consegue melhorar a eficiência das células fotovoltaicas de 18% para 23%!

Ganho de 5% que pode ser suficiente para mudar todos os modelos conhecidos atualmente na produção de energia a partir do sol!

Uma revolução que poderá ocorrer a curto prazo. A ideia ainda se encontra em desenvolvimento e estudo, mas os primeiros testes asseguram que será uma tecnologia mais eficiente e fácil de fabricar.

O resultado final estará prestes a ser anunciado pela equipa de cientistas da Universidade de Toledo (EUA), que está a trabalhar em conjunto com o Departamento de Energia.

Para já dizem ter desenvolvimento materiais capazes de serem aplicados aos painéis solares e garantir um aumento da eficiência das células solares de 18% para 23%!

Se os resultados se confirmarem, o mundo irá assim assistir a uma revolução no mercado dos painéis solares, e assim solucionar um dos grandes problemas energéticos: a queima de combustíveis fósseis ser mais barata para a produção de eletricidade, mas com grandes emissões de gases com efeito de estufa.

A equipa, liderada por Yanfa Yan, publicou recentemente na revista Science, os resultados da investigação eu afinou a fórmula química e respetivos processos de fabrico do novo material, que vinha a estudar há 20 anos!

As novas células solares irão ser produzidas em filmes ultrafinos, à base de perovskita, cuja estrutura cristalina torna mais fácil a transformação de luz em eletricidade. Atualmente as células solares são produzidas com recurso a silício, material bastante comum e barato, mas que já atingiu os limites da sua eficácia.

Há ainda uma incógnita perante este material… qual a longevidade destas novas células fotovoltaicas? Estando garantidas o aumento da eficiência e um baixo custo na sua produção, permanece a dúvida quanto à estabilidade e também quanto a novas soluções perante a reciclagem dos materiais (é que este novo material engloba estanho e chumbo – que coloca problemas ambientais).

Perovskite Breakthrough mostra a importância do composto químico adicionado em aumentar a eficiência

Pesquisadores do relatório do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) fazem um avanço significativo ao produzir uma célula solar de perovskita em tandem que leva a tecnologia para mais perto de sua máxima eficiência.

Uma nova fórmula química está por trás do aumento na eficiência, que também melhorou as propriedades estruturais e optoeletrônicas da célula solar.

Perovskite refere-se a uma estrutura cristalina formada através da química. Diferentemente das células solares feitas de silício, suas contrapartes de perovskita podem ser flexíveis e projetadas para serem mais baratas de fabricar. As células solares de perovskita têm visto um aumento constante na eficiência, à medida que os pesquisadores continuam refinando a tecnologia. A maioria desses esforços de pesquisa se concentrou em perovskitas baseadas em chumbo que possuem um bandgap amplo. 

Perovskitas de baixa eficiência e baixo bandgap permitiriam a fabricação de células solares tandem all-perovskite de alta eficiência, onde cada camada absorve apenas uma parte do espectro solar e é idealmente configurada para converter essa luz em energia elétrica. No entanto, as perovskitas com bandgap baixo sofreram grandes perdas de energia e instabilidade limitando seu uso em tandems.

Os esforços que os cientistas do NREL fizeram para estreitar o bandgap, substituindo parte dos átomos de chumbo na estrutura da perovskita, trouxeram a recém-refinada célula solar de perovskita de baixo band-gap para uma eficiência de cerca de 20,5%. Seus resultados estão detalhados no novo artigo, “Carpet lifexies of> 1μs em Sn-Pb perovskitas permitir eficiente all-perovskite tandem células solares”, que aparece na Science.

"Esta vai ser uma área de pesquisa ativa nos próximos anos", disse Kai Zhu, cientista sênior do NREL e autor correspondente do artigo.

Substituir chumbo (Pb) em células solares de perovskita, pode restringir o bandgap. Adicionar estanho (Sn), no entanto, cria outros problemas. A rápida cristalização e oxidação do estanho cria furos e outros defeitos em filmes finos de perovskita à base de Sn.

Uma célula solar em série utilizando camadas de perovskitas mantém a eficiência máxima teórica de mais de 30%. Para alcançar isso, a camada de baixo absorvedor de bandgap por si só deve estar entre 21% e 23% de eficiência. As células solares baseadas em uma mistura de chumbo-estanho relataram eficiências de cerca de 19%, em comparação com entre 21% e 24% para suas contrapartes de chumbo puro.

Para compensar os efeitos do estanho na mistura, os cientistas da NREL introduziram o composto químico tiocianato de guanidínio (GuaSCN). Depois de descobrir como 7% de GuaSCN era a quantidade ideal para reduzir os defeitos consideravelmente, eles validaram essas descobertas para tornar a célula solar mais eficiente de outra maneira importante. As células solares geram eletricidade usando a luz para “excitar” os elétrons. Quanto mais tempo os elétrons ficarem excitados, mais eletricidade será gerada. O novo material de baixo band-gap após a modificação química permitiu que os elétrons permanecessem excitados por mais de 1 microssegundo, ou cerca de cinco vezes mais do que o relatado anteriormente.

A célula solar de junção única de banda baixa melhorada com 20,5% de eficiência foi então acoplada a uma célula convencional de perovskita de banda larga. Os pesquisadores obtiveram uma célula tandem de 25% de eficiência de quatro terminais e 23,1% de eficiência de dois terminais de perovskita.

Os co-autores de Zhu da NREL são Jinhui Tong, Dong Hoe Kim, Chen Xihan, Axel Palmstrom, Paul Ndione, Matthew Reese, Sean Dunfield, Obadia Reid, Jun Liu, Fei Zhang, Steven Harvey, Zhen Li, Steven Christensen, Glenn Teeter, Mowafak Al-Jassim, Maikel van Hest, Matthew Beard e Joseph Berry. Alguns pesquisadores são afiliados à Universidade de Toledo e à Universidade do Colorado em Boulder.

O financiamento para a pesquisa na NREL veio do Escritório de Tecnologias de Energia Solar e do Centro de Semicondutores Inorgânicos Orgânicos Híbridos para Energia.