O Sol emite energia solar suficiente para a Terra a cada segundo para satisfazer toda a demanda de energia humana por mais de duas horas.
Por ser prontamente disponível e renovável, a energia solar é uma fonte atraente de energia. No entanto, em 2018, menos de 2% da energia mundial vinha da energia solar.
Historicamente, a captação de energia solar tem sido cara e relativamente ineficiente.
Mesmo esse uso insuficiente de energia solar, no entanto, é uma melhoria em relação às duas décadas anteriores. A medida que a quantidade de energia coletada da energia solar em todo o mundo aumentou mais de 300 vezes de 2000 a 2019.
Novos avanços tecnológicos nos últimos vinte anos impulsionaram essa dependência crescente na energia solar, diminuindo os custos, e os novos desenvolvimentos tecnológicos prometem aumentar o uso da energia solar, diminuindo ainda mais os custos e aumentando a eficiência do painel solar.
Energia Solar: custos, desafios e design
Nos últimos 20 anos, os custos associados às células solares, estruturas capazes de converter a energia da luz em eletricidade, vêm diminuindo constantemente.
O Laboratório Nacional de Energia Renovável, um laboratório do governo dos Estados Unidos que estuda a tecnologia de células solares, estima contribuintes para o aumento do preço da energia solar.
Eles estimam que os custos tangíveis, os custos do hardware físico da célula solar e os custos indiretos, que incluem mão-de-obra ou custos para obter as autorizações governamentais necessárias, são quase iguais.
Os custos menores diminuíram porque há mais consumidores em potencial e mais especialistas em instalação de novas células solares, de modo que as empresas podem produzir células solares a granel e instalá-las facilmente.
Os custos tangíveis são menos da metade do que eram no ano de 2000, principalmente devido à redução dos custos de material e uma maior capacidade das células de capturar luz.
A engenharia de células solares mais econômicas e eficientes exigiu uma consideração cuidadosa da física envolvida na captura solar, além de um design inovador.
Custos associados à energia solar.
As células solares se tornam menos caras quando o custo da mão de obra e dos materiais usados para construí-las diminui ou quando elas se tornam melhores em transformar a luz que entra em eletricidade.
Como as células solares são usadas para converter luz em eletricidade, elas precisam ser compostas de algum material que seja bom para capturar energia da luz.
Esse material pode ser ensanduichado entre duas placas de metal que transportam a eletricidade captada da energia luminosa para onde ela é necessária, como as luzes de uma casa ou as máquinas de uma fábrica.
Escolher o material certo para capturar a luz envolve medir a diferença entre dois níveis de energia chamados de banda de valência e banda de condução.
Quando os elétrons são atingidos por partículas de luz, chamadas fótons, eles podem absorver energia suficiente para saltar da banda de condução de baixa energia para a banda de valência de alta energia.
Uma vez na banda de valência, a energia extra no elétron pode ser colhida como eletricidade.
É como se os elétrons estivessem no sopé de uma colina (a banda de condução) e sendo atingidos por um fóton que lhes dá energia para saltar para o topo (a banda de valência).
A quantidade de energia necessária para os elétrons saltam para a banda de valência depende do tipo de material.
Energia solar e o tamanho da colina metafórica
Essencialmente, o tamanho da colina metafórica varia com base nas propriedades de um determinado material.
O tamanho dessa lacuna de energia é importante porque afeta a eficiência com que as células solares convertem luz em eletricidade.
Especificamente, se os fótons atingirem os elétrons com menos energia do que o elétron precisa para saltar da banda de valência para a banda de condução, nenhuma energia da luz será capturada.
Alternativamente, se a luz tem mais energia do que o necessário para superar essa lacuna, o elétron captura a energia precisa de que precisa e desperdiça o restante.
Ambos os cenários levam a ineficiências na colheita solar, tornando a escolha do material da célula solar importante.
Historicamente, o silício tem sido o material mais popular para células solares.
Uma razão para essa popularidade está no tamanho da lacuna entre as bandas de condução e valência do silício, já que a energia da maioria das partículas de luz está muito próxima da energia necessária para os elétrons do silício saltarem a lacuna de energia.
Teoricamente, cerca de 32% da energia da luz poderia ser convertida em energia elétrica com uma célula solar de silício.
Isso pode não parecer muito, mas é significativamente mais eficiente do que a maioria dos outros materiais.
Além disso, o silício também é barato. É um dos elementos mais abundantes do planeta, e o custo de refinar diminuiu drasticamente desde 1980.
Captura de energia luminosa em células solares.
Quando a luz atinge uma célula solar, faz com que os elétrons saltem para uma banda de condução, permitindo que a energia da luz seja coletada.
Aqui, elétrons amarelos (marcados com e) se movem através dos átomos de silício (marcados com Si) na célula solar quando atingidos por um fóton.
Além de diminuir os custos de material, truques de engenharia inteligentes estão levando a eficiência das células solares de silício para mais perto de seu máximo teórico.
Para que os fótons sejam convertidos em energia, eles devem primeiro colidir com um elétron.
Um truque para aumentar a probabilidade de uma colisão fóton / elétron envolve a padronização do silício nas células solares em formas microscópicas de pirâmide.
Quando a luz é absorvida em uma pirâmide, ela viaja mais longe, aumentando a probabilidade de que a luz colida com os elétrons no silício antes de escapar da célula.
Novas táticas para energia solar
Em uma tática semelhante, químicos e cientistas de materiais desenvolveram revestimentos anti-reflexos para colocar na frente das células solares para evitar que a luz útil seja refletida de volta para o espaço sem nunca atingir um elétron na célula solar.
Da mesma forma, colocar um refletor na parte de trás da célula solar também permite que mais luz seja coletada.
A luz que atinge a célula solar e segue todo o caminho até a parte de trás sem atingir um elétron é rebatida para a frente da célula, dando à célula outra chance de coletar a luz.
Atualmente, o custo das células solares à base de silício continua diminuindo e, apesar das previsões em contrário, o custo do próprio silício continua diminuindo.
As células solares de silício provavelmente permanecerão populares nos próximos anos. Alternativas às células solares de silício foram desenvolvidas, mas não estão longe o suficiente para serem comercialmente viáveis.
O futuro das células solares
Para ultrapassar as células solares atuais, um novo design precisaria ser capaz de capturar mais luz, transformar energia luminosa em eletricidade com mais eficiência e / ou ser menos caro para construir do que os designs atuais.
Os produtores e consumidores de energia são mais propensos a adotar a energia solar se a energia que ela produz for tão ou menos cara do que outras formas de eletricidade, muitas vezes não renováveis.
Portanto, qualquer melhoria nos projetos atuais de células solares deve reduzir os custos gerais para se tornarem amplamente utilizadas .
No estado de Goiás, muitos moradores estão optando por usar a energia solar em Goiânia para a redução na conta de energia, provando que para ser eficiente e adquirir novos usuários, a energia solar precisa ser um investimento a longo prazo.
A primeira opção, adicionar hardware que permite que as células solares capturem mais luz, não exige que abandonemos os projetos atuais de células solares.
A eletrônica pode ser instalada com a célula solar que permite que a célula rastreie o sol conforme ele se move no céu diurno.
Se a célula solar estiver sempre apontando para o sol, ela será atingida por muito mais fótons do que se estivesse apontando apenas para o sol por volta do meio-dia.
Atualmente, projetar eletrônicos que possam rastrear a posição do sol com precisão e consistência por várias décadas a um custo razoável é um desafio contínuo, mas a inovação nesta frente continua.
Uma alternativa para fazer a própria célula solar se mover é usar espelhos para focar a luz em uma célula solar menor e, portanto, mais barata.
Segundo imobiliárias especialistas em venda de casas em condomínios fechado, a instalação de energia solar facilita e valoriza o imóvel na hora da revenda.
Novas soluções para desempenho da energia solar
Outro caminho para melhorar o desempenho das células solares é direcionar sua eficiência para que sejam melhores na conversão de energia solar em eletricidade.
As células solares com mais de uma camada de material de captura de luz podem capturar mais fótons do que as células solares com apenas uma camada.
Recentemente, células solares testadas em laboratório com quatro camadas podem capturar 46% da energia luminosa que as atinge.
Essas células ainda são, em sua maioria, muito caras e difíceis de fazer para uso comercial, mas pesquisas em andamento podem um dia tornar possível a implementação dessas células super eficientes.
A alternativa para melhorar a eficiência das células solares é simplesmente diminuir seu custo.
Embora o processamento do silício tenha se tornado mais barato nas últimas décadas, ele ainda contribui significativamente para o custo da instalação de células solares.
Ao usar células solares mais finas, os custos de material diminuem.
Essas “células solares de película fina” usam uma camada de material para coletar a energia da luz que tem apenas 2 a 8 micrômetros de espessura, apenas cerca de 1% do que é usado para fazer uma célula solar tradicional.
Assim como as células com múltiplas camadas, as células solares de película fina são um pouco complicadas de fabricar, o que limita sua aplicação, mas as pesquisas estão em andamento.
Futuro da energia solar
No futuro imediato, as células solares de silício provavelmente continuarão a diminuir de custo e serão instaladas em grande número.
Nos Estados Unidos, essas reduções de custo devem aumentar a energia solar produzida em pelo menos 700% até 2050.
Enquanto isso, a pesquisa sobre projetos alternativos para células solares mais eficientes e menos caras continuará.
Daqui a alguns anos, provavelmente veremos alternativas ao silício surgindo em nossas fazendas solares e telhados, ajudando a fornecer fontes de energia limpas, renováveis e ganhando dinheiro em alguns casos.
Essas melhorias foram e continuarão a ser possíveis com o aumento da fabricação em massa de células solares e novas tecnologias que tornam as células mais baratas e mais eficientes.
