Fim dos telhados cobertos de painéis: Singapura alcança célula solar quase invisível que gera energia mesmo na sombra

Os vidros de um carro estacionado ao sol ou as lentes de óculos inteligentes podem se tornar pontos de recarga de baterias no futuro. A tecnologia finalmente chegou a esse ponto graças a cientistas da Universidade Tecnológica de Nanyang (NTU) em Singapura, que acabaram de publicar na ACS Energy Letters um novo tipo de célula solar transparente e ultrafina baseada em perovskita, um material semicondutor com uma versatilidade composicional que o silício convencional não consegue igualar.

Em resumo

A equipe, liderada pela Professora Associada Annalisa Bruno, conseguiu fabricar células com apenas 10 nanômetros de espessura. Para se ter uma ideia: um fio de cabelo humano mede cerca de 70 mil nanômetros; ou seja, se esse fio de cabelo fosse a Torre Eiffel, essa película seria uma folha de papel colocada ao lado dela.

No entanto, há um dado ainda mais revelador do estudo, já que a rugosidade natural da superfície sobre a qual a célula é depositada — cerca de 2,8 nanômetros, de acordo com as medições de microscopia no próprio artigo — representa quase um terço de sua espessura total.

Marco não está em seu formato

A verdadeira mudança de paradigma que esta tecnologia propõe é o fim da dependência exclusiva da luz solar direta. Ao contrário dos painéis de silício convencionais, esses dispositivos de perovskita geram eletricidade sob condições de luz indireta e difusa, tornando-os especialmente úteis em ambientes urbanos de alta densidade, onde fachadas verticais e a frequente cobertura de nuvens limitam a exposição direta à luz solar.

"Os edifícios consomem cerca de 40% da energia mundial, por isso precisamos urgentemente de tecnologias que transformem suas fachadas em geradores de energia", explica Bruno. De acordo com os cálculos iniciais da equipe, se cobrissemos a fachada de vidro de um grande arranha-céu (como os do distrito financeiro de Marina Bay) com essa tecnologia, poderíamos, teoricamente, gerar centenas de megawatts-hora por ano. Isso é suficiente para suprir o consumo anual de cerca de 100 apartamentos de quatro quartos. Esses são números preliminares, é claro, mas o potencial existe.

Segredo está na evaporação

Como fazer com que uma janela pareça uma janela enquanto gera energia? A resposta está no fato de que essas células são semitransparentes e de cor neutra, sem qualquer tonalidade aparente que revele sua presença. Para fabricá-las, a equipe utilizou um processo de evaporação térmica a vácuo: os materiais base são aquecidos em uma câmara de vácuo até evaporarem e serem depositados sobre uma superfície, formando um filme ultrafino e uniforme. Não são utilizados solventes tóxicos e não há as desvantagens comuns dos métodos baseados em soluções.

O que distingue este trabalho de tentativas anteriores — e houve muitas; o estudo compara seus resultados com décadas de pesquisa — é que esta é a primeira vez que células de perovskita ultrafinas foram fabricadas utilizando processos inteiramente a vácuo, do início ao fim. Este não é um detalhe insignificante, pois os processos a vácuo já são utilizados pela indústria de semicondutores em larga escala, encurtando consideravelmente o caminho para a fabricação industrial.

Dados com nuances

Vamos analisar os números, que é onde esta tecnologia realmente se destaca. Em suas versões completamente opacas, essas folhas conseguem converter 7%, 11% e 12% da luz recebida em energia, utilizando espessuras mínimas de 10, 30 e 60 nanômetros. Mas e se quisermos que a janela continue sendo uma janela? O modelo semitransparente de 60 nanômetros permite a passagem de 41% da luz visível e mantém uma eficiência respeitável de 7,6%. Segundo os pesquisadores, este é um dos melhores resultados já obtidos com esse tipo de material.

Mas aqui reside o verdadeiro desafio desse tipo de engenharia: quanto mais transparente, menos eficiente. O estudo identifica a célula de 30 nm como a que melhor equilibra ambas as variáveis ​​— ela tem o maior potencial para eficiência combinada de utilização da luz —, mas deixa passar menos luz visível do que a célula de 60 nm. Não existe solução perfeita; existe um compromisso que cada aplicação terá que negociar de acordo com suas prioridades.

Mas e a estabilidade?

É aqui que qualquer tecnologia de perovskita precisa provar seu valor. Os dados do próprio estudo mostram que as células de 100 nm podem suportar aproximadamente 15,4 mil horas de projeção antes de degradarem para 80% do seu desempenho inicial. As células de 60 nm duram 5,8 mil horas e as de 10 nm, 4,1 mil horas. Esses números refletem resultados de laboratório, não os de uma janela exposta à chuva, flutuações de temperatura e anos de uso.

O professor Sam Stranks, da Universidade de Cambridge, resume isso com precisão em um comentário separado sobre o estudo: o equilíbrio entre transparência e geração de energia é promissor, mas os próximos testes críticos serão a estabilidade a longo prazo, a durabilidade e o desempenho em grandes superfícies.

Telhados já estão ocupados

A próxima fronteira da energia solar urbana são os milhões de metros quadrados de vidro que cobrem nossos edifícios, carros e dispositivos — superfícies que até agora eram passivas por definição. A inovação da equipe da NTU, já patenteada pela NTUitive e em negociações com empresas para validar o processo, aponta nessa direção.

Ainda há um longo caminho a percorrer, especialmente em termos de durabilidade no mundo real. Mas, pela primeira vez, essa tecnologia conta com um método de fabricação compatível com a indústria, células que operam com uma fração da luz disponível e uma espessura que faz com que a palavra "invisível" não seja apenas uma metáfora de marketing, mas uma descrição técnica bastante precisa da realidade.

Imagem | ACS Energy