Os cientistas estabeleceram um novo recorde mundial de eficiência para células solares CIGS de 23,64 por cento, destacando o potencial da tecnologia CIGS no avanço da eficiência e confiabilidade da energia solar. Esta conquista marca um avanço significativo na busca por soluções de energia solar mais eficientes e econômicas.
A Universidade de Uppsala estabeleceu um novo recorde mundial na geração de energia elétrica a partir de células solares CIGS, alcançando uma taxa de eficiência de 23,64%. Esta conquista foi verificada por um instituto independente e os resultados foram publicados na conceituada revista, Energia da Natureza.
O recorde resulta de uma colaboração entre a empresa First Solar European Technology Center (anteriormente conhecida como Evolar) e investigadores de células solares da Universidade de Uppsala.
“As medições que fizemos para esta célula solar e outras células solares produzidas recentemente estão dentro da margem de erro da medição independente. Essa medição também será utilizada para uma calibração interna dos nossos próprios métodos de medição”, afirma Marika Edoff, professora de Tecnologia de Células Solares na Universidade de Uppsala, responsável pelo estudo.
Marika Edoff, Professora e Chefe da Divisão de Tecnologia de Células Solares, Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade de Uppsala. Crédito: Mikael Wallerstedt
O recorde mundial anterior foi de 23,35 por cento (Solar Frontier, Japão), precedido por 22,9 por cento (ZSW, Alemanha). A Universidade de Uppsala já detinha o recorde antes, pela primeira vez na década de 1990, na colaboração de pesquisa Euro-CIS.
“Ao mesmo tempo, também detivemos o recorde de um protótipo conectado em série. Embora já tenha passado muito tempo desde que mantivemos o recorde de células, muitas vezes estivemos atrás dos melhores resultados e, claro, há muitos aspectos relevantes a serem considerados, como o potencial de expansão para um processo em grande escala, onde sempre estivemos na vanguarda”, diz Edoff.
O impacto global das células solares
As células solares estão a aumentar rapidamente em todo o mundo e a energia solar representou pouco mais de 6% da eletricidade em todo o mundo em 2022, de acordo com a Agência Internacional de Energia (AIE). Os melhores módulos solares de silício cristalino, que é o material mais utilizado em células solares, convertem atualmente mais de 22% da luz solar em energia elétrica e as células solares modernas são de baixo custo e estáveis a longo prazo.
Uma meta na pesquisa de células solares é atingir mais de 30% de eficiência com custos de produção razoáveis. O foco muitas vezes está nas células solares tandem, por serem mais eficientes, mas até agora elas têm sido muito caras para uso em larga escala.
O recorde mundial de 23,64 por cento foi medido pelo instituto independente Fraunhofer ISE na Alemanha. O artigo acadêmico apresenta uma análise completa do material e elétrica da célula solar, bem como uma comparação com registros anteriores para o mesmo tipo de célula solar de outras instituições de pesquisa.
A imagem mostra um corte transversal das camadas ativas da célula solar de película fina, com espessura total não superior a 3 micrômetros. Usando nano-XRF medido nas instalações do MAX IV em Lund, é possível medir a concentração de elementos da matriz e oligoelementos (neste caso rubídio) na célula solar com alta precisão. Crédito: Marika Edoff
As propriedades mais importantes de uma célula solar são a capacidade de absorver luz e de transportar energia para uma carga elétrica. Para que isso tenha sucesso, o material deve ser capaz de absorver uma porção ideal de luz solar, evitando o desperdício dessa energia, convertendo-a em calor dentro da célula solar.
As células solares CIGS consistem em uma folha de vidro feita de vidro de janela normal que foi revestida com várias camadas diferentes, cada uma das quais com uma tarefa específica. O material que absorve a luz solar consiste em cobre, índio, gálio e seleneto (daí a sigla CIGS), com adições de prata e sódio. Esta camada é colocada na própria célula solar, entre um contato traseiro de molibdênio metálico e um contato frontal transparente. Para tornar a célula solar o mais eficiente possível na separação de elétrons, a camada CIGS é tratada com fluoreto de rubídio. O equilíbrio entre os dois metais alcalinos, sódio e rubídio, e a composição da camada CIGS são fundamentais para a eficiência de conversão, ou seja, a parcela do espectro solar completo que é convertida em energia elétrica na célula solar.
Quando os institutos de medição realizam seus testes, eles medem a eficiência das células solares usando luz filtrada que imita o sol tanto em intensidade quanto em espectro. Durante a medição, a célula solar é mantida a uma temperatura controlada e os institutos independentes enviam regularmente células solares de calibração entre si. Para ser registrado como recorde mundial é necessária uma medição independente, que neste caso foi realizada pelo instituto de medição Fraunhofer ISE.
Avanços Tecnológicos e Perspectivas Futuras
“Nosso estudo demonstra que a tecnologia de película fina CIGS é uma alternativa competitiva como célula solar independente. A tecnologia também possui propriedades que podem funcionar em outros contextos, como a célula inferior de uma célula solar tandem”, diz Edoff.
Vários métodos de medição avançados foram utilizados para compreender melhor a correlação entre a eficiência e a estrutura da célula solar: o material da célula solar foi caracterizado por nano-XRF (espectroscopia de fluorescência de raios X) nas instalações MAX IV em Lund, onde um uma análise composicional cuidadosa foi feita. A microscopia eletrônica de transmissão (TEM) em alta resolução tem sido utilizada para estudar seções transversais da célula solar, tanto a composição em função da profundidade quanto a forma como os grãos cristalinos são construídos, bem como as interfaces entre as camadas. Usando a fotoluminescência, o espectro da luz emitida pela célula solar após a excitação por um laser foi estudado como um meio de entender o quão bem a célula solar cuida dos elétrons internamente. Uma célula solar que brilha intensamente tem uma parcela menor de perdas internas de calor do que uma célula solar que brilha fracamente. Finalmente, métodos de medição elétrica foram utilizados para analisar a dopagem do material CIGS.
“O facto de determos agora o recorde mundial significa muito tanto para a Universidade de Uppsala como para o Primeiro Centro Europeu de Tecnologia Solar. Para a tecnologia CIGS, que é conhecida pela sua elevada fiabilidade, um recorde mundial também significa que pode oferecer uma alternativa viável para novas aplicações, por exemplo, células solares tandem. Isto é importante para nossos colegas de pesquisa em todo o mundo. Esperamos que as análises do material e das propriedades elétricas forneçam uma base para futuras melhorias no desempenho”, conclui Edoff.
Referência: “Liga de prata de alta concentração e classificação de gálio com contato traseiro íngreme permitindo célula solar de seleneto de cobre, índio e gálio com eficiência de 23,6%” por Jan Keller, Klara Kiselman, Olivier Donzel-Gargand, Natalia M. Martin, Melike Babucci, Olle Lundberg, Erik Wallin, Lars Stolt e Marika Edoff, 19 de fevereiro de 2024, Energia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41560-024-01472-3
