A atual necessidade de substituir o uso de combustíveis fósseis tem levado a um grande crescimento de energias renováveis e com reduzidas emissões de gases de efeito estufa. Particularmente no caso da energia solar, o grande investimento de diferentes países ligado à redução dos custos de produção das células fotovoltaicas contribuiu para um aumento mundial de 40% na transformação da luz solar em eletricidade nos últimos 10 anos. Contudo este aumento não é ainda suficiente, para se ter uma ideia, note-se que em Portugal, no ano passado, apenas 1.5% da energia elétrica produzida era de proveniente do sol.
A grande maioria dos painéis fotovoltaicos, cerca de 95%, que vemos nos telhados ou em grandes parques solares são células solares à base de silício. Este material abundante na crosta terreste, permite criar painéis que transformam a energia sob a forma de luz em eletricidade com um rendimento de 27% para células produzidas em laboratório, o que se traduz numa eficiência média de 17% em células disponíveis no mercado. Contudo, e apesar da grande redução no preço, estas células têm algumas limitações: intrinsecamente, o silício não é material mais indicado para absorver a luz solar e na produção destas células são necessárias altas temperaturas, a cima de 1000 °C, para garantir um grande grau de pureza do silício. Por isso, a investigação de outras tecnologias no fotovoltaico tem avançado rapidamente nos últimos anos.
Novas células à base de Perovskitas
Na última década, um novo tipo de células fotovoltaicas tem revolucionado completamente a comunidade científica: as células solares à base de Perovskitas. Este nome vem da estrutura dos átomos ou moléculas neste tipo de cristais, definido como ABX3. Isto significa que têm 3 componentes diferentes, organizados de uma forma cúbica: um dos átomos, A, fica nos vértices do cubo, outro deles, B, fica no centro e por fim o último, X, fica no centro de cada face do cubo. Apesar deste tipo de estrutura ser conhecido e utilizado em diferentes dispositivos, o uso para células solares é muito recente. Se pensarmos que em 2009 a eficiência de células de Perovskitas era apenas de 3.8%, é surpreendente observar os valores atuais de 25.2% de eficiência, o record mundial obtido pelo MIT. Em comparação, nas células à base de silício foram precisos 50 anos para ter um aumento similar de eficiência. Devido a este crescimento, a grande maioria dos laboratórios de investigação em fotovoltaico têm criado grupos de trabalho apenas dedicados a este tipo de células.
As vantagens desta nova tecnologia são inúmeras, especialmente na produção e versatilidade de aplicações. A síntese destas Perovskitas requer tecnologias mais simples e adaptadas à produção em grande escala, como é o caso da impressão, spray ou revestimento por imersão de materiais, seguido de tratamentos térmico a baixas temperaturas, cerca de 200 °C. Além de permitir baixar custos, estas células podem ser incorporadas numa grande variedade de substratos, já que são flexíveis. Se ligarmos este facto com a semitransparência destes materiais, podemos ambicionar a incorporação destes painéis numa grande variedade de superfícies, como janelas, fachadas de edifícios, veículos elétricos, mobiliário urbano, ou até para equipamentos de desporto como mochilas ou tendas.
Mas existem vários problemas que fazem com que o grande hype à volta desta tecnologia ainda não tenha permitido a saída para o mercado. Os dois principais pontos negativos estão associados aos materiais que compõem estas células. Dentro da estrutura da Perovskita, no centro do cubo, chumbo é o elemento usado que permite obter valores elevados de eficiência. Como este material é tóxico, e na União Europeia o seu uso é altamente desaconselhado, as diferentes equipas de investigadores terão de encontrar uma solução para substituir o chumbo. Outros elementos como estanho ou estrôncio têm sido testados, mas com valores de eficiência ainda muito a baixo do esperado, cerca de 10%. O outro problema vem da molécula presente nos vértices do cubo na estrutura perovskita. Neste caso, uma molécula orgânica, um catião de metilamónio (CH3NH3+), apresenta problemas de estabilidade, principalmente quando exposto a ambientes com alta humidade e temperaturas acima dos 80 °C. Isto faz com que a eficiência da célula se degrade com o tempo, principalmente quando colocada no exterior, como num telhado. Estes problemas fazem com que as células à base de Perovskitas ainda não estejam à venda, mas já existem planos de comercialização para o início de 2020 pela Saule Technologies.
Outras aplicações e o futuro
A intensiva pesquisa destes materiais levou ao uso para outro tipo de aplicações como é o caso de sensores de luz, LEDs, transístores ou até lasers, levando mais uma vez à substituição do silício em tecnologias tradicionalmente baseadas neste material. Mas, será possível combinar as Perovskitas com o silício? Como as células baseadas em Perovkistas são semitransparentes, deixando passar alguma luz solar, elas podem ser combinadas com as células de silício, criando uma célula tandem (como as bicicletas para duas pessoas). Os resultados destas células duplas já atingiram valores de 28%, pela empresa Oxford PV, com previsões de chegar aos 30% nos próximos anos.
O futuro para as células à base de Perovkitas parece brilhante para a produção de energia renovável, contudo os vários problemas têm de ser resolvidos para garantir células estáveis e seguras que possam ajudar a massificação da energia solar.
Artigo de João Resende
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