Células solares orgânicas ultrafinas podem transformar edifícios em geradores de energia

Em novembro de 2021, enquanto a concessionária municipal de Marburg, na Alemanha, realizava manutenção programada em uma instalação de armazenamento de água quente, engenheiros colaram 18 painéis solares na parte externa do tanque cilíndrico principal de 10 metros de altura. Não é o lar típico para painéis solares, a maioria dos quais são retângulos planos e rígidos de silício e vidro dispostos em telhados ou em parques solares. Os painéis da instalação de Marburg, por outro lado, são filmes orgânicos ultrafinos feitos pela Heliatek, uma empresa alemã de energia solar. Nos últimos anos, a Heliatek montou seus painéis flexíveis nas laterais de torres de escritórios, nos telhados curvos de pontos de ônibus e até no eixo cilíndrico de um moinho de vento de 80 metros de altura. O objetivo: expandir o alcance da energia solar além das terras planas. "Existe um enorme mercado onde a energia fotovoltaica clássica não funciona", diz Jan Birnstock, diretor técnico da Heliatek.

Os fotovoltaicos orgânicos (OPVs), como os da Heliatek, são mais de 10 vezes mais leves que os painéis de silício e, em alguns casos, custam apenas a metade para serem produzidos. Alguns são até transparentes, o que levou os arquitetos a imaginar painéis solares não apenas nos telhados, mas também incorporados em fachadas de edifícios, janelas e até mesmo em espaços internos. "Queremos transformar cada edifício em um edifício gerador de eletricidade", diz Birnstock.

Os painéis da Heliatek estão entre os poucos OPVs em uso prático e convertem cerca de 9% da energia da luz solar em eletricidade. Mas, nos últimos anos, pesquisadores de todo o mundo criaram novos materiais e designs que, em pequenos protótipos feitos em laboratório, atingiram eficiências de quase 20%, aproximando-se do silício e de células solares de película fina inorgânica alternativas, como as feitas de um mistura de cobre, índio, gálio e selênio (CIGS). Ao contrário dos cristais de silício e CIGS, onde os pesquisadores estão limitados às poucas opções químicas que a natureza lhes dá, os OPVs permitem que eles ajustem ligações, reorganizem átomos e misturem elementos de toda a tabela periódica. Essas mudanças representam botões que os químicos podem ajustar para melhorar a capacidade de seus materiais de absorver a luz solar, conduzir cargas e resistir à degradação. Os OPVs ainda ficam aquém dessas medidas. Mas, "Há um enorme espaço em branco para exploração", diz Stephen Forrest, um químico OPV da Universidade de Michigan, Ann Arbor.

Mesmo quando os OPVs fabricados em laboratório parecem promissores, escaloná-los para criar painéis em tamanho real continua sendo um desafio, mas o potencial é enorme. "Agora é um momento realmente empolgante em OPVs porque o campo deu grandes saltos em desempenho, estabilidade e custo", diz Bryon Larson, especialista em OPV do Laboratório Nacional de Energia Renovável.

A ENERGIA SOLAR CONVENCIONAL — baseada principalmente em silício — já é um sucesso de energia verde, fornecendo cerca de 3% de toda a eletricidade do planeta. É a maior nova fonte de energia sendo adicionada à rede, com mais de 200 gigawatts entrando online anualmente, o suficiente para abastecer 150 milhões de residências. Apoiado por décadas de melhorias de engenharia e uma cadeia de suprimentos global, seu preço continua caindo.

Mas a energia solar e outras fontes de energia verde não estão crescendo rápido o suficiente para atender à demanda crescente e evitar mudanças climáticas catastróficas. Entre a marcha do desenvolvimento econômico global, o crescimento populacional e a mudança esperada de grande parte dos carros e caminhões do petróleo para a eletricidade, a demanda mundial de eletricidade deve dobrar até 2050. De acordo com as últimas estimativas da Agência Internacional de Energia, para alcançar emissões líquidas globais de carbono zero até 2050, os países devem instalar energias renováveis ​​em um ritmo quatro vezes maior que o atual, um desafio que a agência chama de "formidável". O mundo precisa de novas fontes de energia renovável, e rápido.

Os defensores do OPV não veem a tecnologia substituindo os painéis de silício convencionais para a maioria dos usos. Em vez disso, eles o veem ajudando a introduzir uma onda de novas aplicações e, finalmente, colocando a energia solar em lugares onde os painéis de silício não funcionam. O campo começou em 1986, quando especialistas em filme plástico da Eastman Kodak Company produziram o primeiro OPV, que tinha apenas 1% de eficiência na conversão da energia da luz solar em eletricidade. Mas, no início dos anos 2000, mexer nos botões químicos aumentou a eficiência do OPV para cerca de 5%, o suficiente para várias empresas tentarem comercializá-los. A esperança deles era que os painéis de impressão em máquinas de rolo a rolo, como impressoras de jornais, tornassem os dispositivos baratos o suficiente para serem úteis, apesar de suas deficiências. Mas a baixa eficiência e a degradação sob a luz solar implacável condenaram os primeiros modelos. "A empolgação estava lá, mas era um pouco cedo demais", diz Larson.