Um avanço notável na tecnologia solar foi alcançado por um grupo de pesquisa da Alemanha e da Áustria, que conseguiu fabricar módulos fotovoltaicos orgânicos semitransparentes (STOPV) revestidos por slot-die com uma área de abertura de 210,25 cm². Esses módulos incorporam um eletrodo traseiro que reflete o infravermelho próximo e um eletrodo superior livre de metal, prometendo novas aplicações para a energia solar, como janelas geradoras de eletricidade.
Historicamente, dispositivos similares em escala de célula de laboratório atingiram eficiências de utilização de luz (LUEs) de até 6%, mas o desempenho costumava declinar substancialmente ao serem escalados para módulos maiores. A inovação dos pesquisadores reside na pilha de células e na capacidade de manter o desempenho em uma escala significativamente maior.
Inovação e Escala: O Salto no Desempenho
A principal novidade do desenvolvimento é a pilha de células inovadora e o sucesso na escala para módulos com áreas superiores a 200 cm². Uli Würfel, autor correspondente do estudo, expressou surpresa positiva com os resultados.
“A novidade do nosso desenvolvimento reside na pilha de células inovadora e, ainda mais, no escalonamento bem-sucedido para módulos em áreas maiores que 200 cm²”, afirmou Uli Würfel ao pv magazine. “Positivamente surpreendente foi o fato de que pudemos avançar de células revestidas por spin-coating de pequena área para módulos revestidos por slot-die nessas áreas maiores de mais de 200 cm² quase sem qualquer perda de desempenho.”
Para fabricar os módulos STOPV de grande porte, os pesquisadores utilizaram substratos de vidro de 16 × 27,5 cm² e criaram 116 faixas de células interconectadas monoliticamente, cada uma com 1,25 mm de largura.
Composição Detalhada dos Módulos
A célula foi fabricada com uma pilha específica de materiais, cuidadosamente selecionados para otimizar a eficiência e a transparência. A estrutura da pilha é a seguinte:
- Substrato: Vidro
- Camadas Dielétricas Ópticas: Dióxido de Titânio (TiO₂) | Dióxido de Silício (SiO₂) | Dióxido de Titânio (TiO₂)
- Eletrodo Transparente Refletor de Infravermelho Próximo (NIR): Óxido de Zinco Dopado com Alumínio (AZO) | Prata (Ag) | Óxido de Zinco Dopado com Alumínio (AZO)
- Camada de Transporte de Elétrons: Óxido de Zinco (ZnO)
- Absorvedor Orgânico: PV-X Plus
- Camada de Transporte de Buracos (HTL): Poli(3,4-etilenodioxitiofeno)(estirenosulfonato) (PEDOT) (HTL-X)
- Eletrodo Superior Livre de Metal: Poli(3,4-etilenodioxitiofeno)(estirenosulfonato) (PEDOT) (SCA2003)
O eletrodo traseiro foi depositado por pulverização catódica (sputtering), enquanto a camada de transporte de elétrons de ZnO, o absorvedor PV-X Plus e as duas camadas de PEDOT:PSS foram depositados por revestimento slot-die. Três etapas de gravação a laser foram utilizadas para padronizar as camadas e formar a interconexão serial monolítica. Após esse processo, os módulos foram recozidos a 110 °C por 10 minutos.
Testes Abrangentes e Resultados de Desempenho
Os módulos fabricados foram submetidos a uma série de testes rigorosos para avaliar seu desempenho e durabilidade:
- Testes de Corrente-Tensão (I–V): Realizados em diferentes intensidades de iluminação.
- Medições Ópticas: Transmissão e reflexão.
- Análise de Defeitos: Utilizando termografia de bloqueio iluminada (ILIT) e imagem de eletroluminescência (EL).
Além disso, testes de estabilidade de longo prazo foram conduzidos separadamente:
- Módulos Rígidos de 11,4 cm²: Fabricados em substratos de vidro com eletrodos traseiros de refletor de Bragg distribuído (DBR), foram envelhecidos sob iluminação contínua por mais de 1.000 horas.
- Módulos Flexíveis de 11,4 cm²: Fabricados em substratos de tereftalato de polietileno (PET) com eletrodos DBRflex, foram submetidos a testes de flexão de até 1.275 ciclos em torno de uma haste de 15 mm de diâmetro.
Os resultados dos testes demonstraram um desempenho impressionante:
- O módulo com a maior LUE, de 4,0%, foi alcançado com uma espessura de camada fotoativa de 60 nm.
- Este módulo atingiu uma eficiência de conversão de energia de 9,3%.
- A transmitância visível média (AVT) foi de 43,2%.
- As células menores e flexíveis alcançaram LUEs médias de 4,1%, uma eficiência de 7,9% e uma AVT de 52,1%.
Próximos Passos e Aplicações Futuras
Os pesquisadores já vislumbram os próximos estágios de desenvolvimento, focando na melhoria da transmissão visual e na adaptação para a produção em larga escala.
“Os próximos passos são aprimorar ainda mais a transmissão visual e transferir esses resultados para a tecnologia de fabricação rolo a rolo”, disse Würfel. “Nesse cenário, as técnicas de deposição usadas neste trabalho permanecem as mesmas (ou seja, pulverização catódica para o eletrodo refletor de infravermelho próximo e revestimento slot-die para todas as outras camadas), mas o substrato é flexível e o processo de revestimento é contínuo.”
O trabalho foi publicado no artigo “Toward scalable semitransparent organic photovoltaics: Slot-die-coated 210-cm2 modules with visible transmission of up to 50% and LUE up to 4%” na revista Joule. A pesquisa contou com a participação de cientistas do Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar ISE da Alemanha, da Universidade de Freiburg e da Universidade de Innsbruck da Áustria.
O que isso significa para a região
O desenvolvimento de módulos solares orgânicos semitransparentes com alta eficiência e capacidade de escala representa um avanço significativo para a integração da energia solar em ambientes urbanos e arquitetônicos. A capacidade de produzir janelas que geram eletricidade, por exemplo, pode transformar edifícios em usinas de energia, reduzindo a demanda por energia da rede elétrica e diminuindo os custos operacionais a longo prazo.
Para o Norte Pioneiro do Paraná, uma região com grande potencial solar e crescente interesse em energias renováveis, essa tecnologia pode abrir novas portas para a inovação e a sustentabilidade. A possibilidade de ter fachadas de edifícios, estufas agrícolas ou até mesmo veículos com superfícies geradoras de energia, sem comprometer a estética ou a passagem de luz, amplia o leque de soluções energéticas disponíveis. Embora a tecnologia ainda esteja em fase de pesquisa e desenvolvimento para produção em massa, o progresso indica um futuro onde a energia solar será ainda mais onipresente e integrada ao nosso cotidiano, beneficiando consumidores com maior autonomia energética e menor dependência de fontes tradicionais.
Leitura da LZ7 Energia
A inovação em módulos solares orgânicos semitransparentes, como a desenvolvida por pesquisadores alemães e austríacos, é um marco importante para a diversificação das aplicações da energia solar. No contexto da LZ7 Energia e do Norte Pioneiro do Paraná, essa tecnologia aponta para um futuro onde a geração de energia pode ser integrada de forma mais discreta e funcional em edifícios e infraestruturas. Imagine janelas que geram eletricidade, estufas agrícolas que se autoabastecem ou telhados que, além de proteger, produzem energia de forma eficiente e esteticamente agradável. A capacidade de escalar a produção desses módulos, mantendo a alta eficiência, é crucial para que se tornem economicamente viáveis. À medida que a tecnologia avança e os custos de produção diminuem, a LZ7 Energia vislumbra um cenário onde soluções como essas podem complementar os sistemas fotovoltaicos tradicionais, oferecendo ainda mais opções para consumidores e empresas que buscam reduzir suas contas de luz e contribuir para um futuro mais sustentável, impulsionando a economia local por meio de novas aplicações e mercados para a energia solar.
Fonte: PV Magazine — Solar global — matéria original publicada em pv-magazine.com. Imagens e vídeos: PV Magazine — Solar global. Texto apurado e reescrito pela redação da LZ7 Energia.