Pesquisadores espanhóis desenvolvem uma célula solar que alcançará 43% de eficiência

A energia solar vem melhorando suas performances há anos, mas ainda possui muito espaço para melhorias. Embora as instalações atuais estejam se tornando cada vez mais econômicas e eficientes, existe um limite físico que condiciona o desempenho das células solares convencionais.

Agora, um grupo de cientistas do Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO), localizado em Castelldefels, Barcelona, apresentou uma solução que poderia ajudar a superar essa barreira. E o mais interessante é que ela não exige o desenvolvimento de um material semicondutor completamente novo, mas sim a modificação de um dos componentes das células solares para aproveitar melhor a energia que recebem.

A chave está em substituir o eletrodo transparente convencional por uma camada extremamente fina de prata, capaz de conduzir a eletricidade, deixar passar a luz e, ao mesmo tempo, controlar como parte da radiação escapa do interior da célula.

Uma camada de prata para superar o limite de eficiência dos painéis solares

Para entender a importância deste avanço, é preciso falar do conhecido limite de Shockley-Queisser, uma referência da física que estabelece que uma célula solar convencional de uma única junção tem uma eficiência máxima teórica próxima a 33% sob condições padrão de iluminação solar.

Isso significa que, mesmo utilizando materiais de alta qualidade e reduzindo ao mínimo os defeitos de fabricação, existe uma quantidade significativa de energia que não pode ser aproveitada. Parte dela se perde na forma de calor, enquanto outra corresponde a fótons que não possuem energia suficiente para gerar eletricidade.

Mas há um terceiro fenômeno que também reduz o desempenho. Quando a luz solar atinge o semicondutor, ela libera elétrons que podem gerar uma corrente elétrica. No entanto, alguns desses elétrons se recombinam novamente e emitem fótons que acabam saindo da célula, levando consigo parte da energia.

Os pesquisadores espanhóis concentraram seus esforços justamente em reduzir essas perdas, relacionadas à emissão de radiação e às chamadas perdas de Boltzmann. Sua proposta consiste em modificar a maneira como a luz pode sair da célula solar, aproveitando as propriedades ópticas de uma película metálica.

Em vez do óxido de índio e estanho habitual, conhecido como ITO, eles utilizaram uma camada de prata tão fina que permite a passagem de grande parte da luz, mas que também possui propriedades refletivas. Dessa forma, restringem os ângulos pelos quais a radiação emitida do interior pode escapar.

O resultado é uma estrutura que atua parcialmente como uma cavidade óptica, ajudando a melhorar a utilização dos fótons. Nos experimentos, a equipe observou melhorias tanto na tensão quanto na corrente elétrica, o que é especialmente relevante, pois ambos os parâmetros determinam a potência que uma célula solar pode gerar.

De 33% para 43% de eficiência: o que eles realmente conseguiram

Com base nesses resultados, os modelos teóricos indicam que, com o aperfeiçoamento da tecnologia, pode-se alcançar eficiências próximas a 43%. Esse valor representaria um salto considerável em relação ao limite clássico das células de única junção, embora ainda haja muito trabalho a ser feito para verificar até onde essa proposta pode chegar.

O pesquisador Francisco Bernal Texca, primeiro autor do estudo, acredita que o trabalho abre um caminho de pesquisa até agora pouco explorado para superar o limite de Shockley-Queisser. A vantagem é que ele oferece uma alternativa às estratégias habituais, focadas principalmente na combinação de diferentes materiais semicondutores.

E é que, se essa tecnologia conseguir se desenvolver até se tornar uma solução comercial, poderá aumentar a produção de eletricidade sem a necessidade de aumentar proporcionalmente a área ocupada pelos painéis. Isso é especialmente interessante para instalações em telhados, onde o espaço disponível costuma ser limitado.

Uma tecnologia que poderia complementar as células solares de perovskita

O trabalho do ICFO surge em um momento de intensa concorrência para melhorar a eficiência fotovoltaica. Uma das tecnologias que está recebendo mais atenção é a das células solares em tandem, que combinam diferentes materiais para aproveitar diferentes partes do espectro solar.

Um exemplo é a fabricante chinesa LONGi, que anunciou uma eficiência de 35,5% em uma célula em tandem de perovskita e silício. Neste caso, o princípio é diferente do utilizado pelos pesquisadores de Barcelona: em vez de controlar a radiação que escapa, são combinados materiais com diferentes propriedades de absorção para aproveitar melhor a energia dos fótons.

A perovskita permite ajustar as comprimentos de onda que pode absorver, enquanto o silício é responsável por aproveitar outra parte do espectro. Essa combinação permite superar o limite que afeta uma célula convencional de única junção.

A proposta do ICFO aborda outro mecanismo de perda, o que abre a possibilidade de investigar soluções complementares. Isso não significa que ambas as tecnologias possam ser combinadas diretamente sem dificuldades, mas sim que existem diferentes caminhos para continuar aumentando a eficiência da energia solar.

Também estão sendo exploradas técnicas como a fissão singlete, que busca aproveitar fótons de alta energia para gerar mais de uma excitação eletrônica. São estratégias ainda experimentais, mas mostram que o espaço para melhorias na tecnologia fotovoltaica continua sendo considerável.

Mais eletricidade com a mesma área de painéis solares

A consequência prática do aumento da eficiência é bastante simples. Quanto mais energia puder ser obtida de uma mesma área, menor será o espaço necessário para alcançar uma determinada produção de eletricidade.

Por exemplo, em uma comparação puramente teórica, uma célula com eficiência de 43% poderia gerar aproximadamente 30% a mais de eletricidade por unidade de área do que outra com 33%, desde que ambas operassem nas mesmas condições.

Isso teria consequências para as instalações de autoconsumo, as grandes usinas solares e também para aplicações onde cada metro quadrado é especialmente valioso. Desde coberturas industriais até sistemas fotovoltaicos integrados em edifícios, aumentar a produção sem ampliar a área instalada representa uma vantagem evidente.

No entanto, ainda existem obstáculos importantes. A nova estrutura deverá demonstrar que pode ser fabricada em grande escala, manter seu desempenho ao longo de anos e oferecer custos competitivos. Também será necessário verificar se as melhorias observadas em laboratório se mantêm ao transferir o sistema para células de maior tamanho e, posteriormente, para módulos completos.

O uso da prata também não é um detalhe insignificante, já que se trata de um material relativamente caro. Embora as camadas utilizadas sejam extremamente finas, seu consumo, estabilidade e processo de fabricação serão fatores importantes para determinar a viabilidade comercial.

Por enquanto, estamos diante de um avanço científico, e não de uma nova geração de painéis solares prontos para serem instalados nos telhados. Mas o trabalho dos pesquisadores de Barcelona demonstra que ainda há caminhos a serem explorados para aproveitar melhor uma fonte de energia que recebemos gratuitamente a cada dia.

E se, finalmente, for possível converter uma parte muito maior dessa luz em eletricidade, a energia solar poderá continuar reduzindo seus custos sem precisar ocupar cada vez mais espaço.