Introdução
Para entender a quantidade de energia solar gerada pelo Sol, é útil compará-la à geração de energia das maiores hidrelétricas do mundo. A Usina das Três Gargantas, na China, possui capacidade para gerar 10 milhões de megawatts em um ano, enquanto o Sol é capaz de gerar 385 bilhões de bilhões de megawatts em apenas um segundo. No entanto, uma quantidade muito pequena dessa energia chega à Terra, e uma fração ainda menor é convertida em formas utilizáveis de energia. Portanto, ciência e tecnologia devem buscar maneiras mais eficientes de capturar a energia que se perde a cada segundo na Terra.
Contribuição da Nanotecnologia para a Tecnologia das Células Solares
A energia solar é o calor e a luz radiante do Sol que podem ser aproveitados por meio de diversas tecnologias, como células fotovoltaicas, arquitetura solar, aquecimento solar, energia térmica solar, fotossíntese artificial e usinas de sal fundido.
O Sol é uma fonte essencial para tecnologias energéticas sustentáveis, categorizadas em solar ativa e solar passiva, dependendo de como a energia solar é capturada, distribuída ou convertida. Sistemas fotovoltaicos, aquecimento solar de água e energia solar concentrada são considerados técnicas solares ativas, enquanto técnicas passivas incluem edifícios orientados para o Sol e o uso de materiais que favorecem a massa térmica ou propriedades de dispersão da luz.
A abundância de energia solar torna essa fonte extremamente atrativa para a geração de eletricidade, e o desenvolvimento de tecnologias solares sustentáveis e acessíveis pode ter benefícios a longo prazo. A energia solar pode aumentar a segurança energética dos países, oferecendo uma fonte renovável e independente de energia, além de reduzir a poluição, promover a sustentabilidade, mitigar as consequências do aquecimento global e manter baixos os preços dos combustíveis fósseis.
Nos últimos anos, houve uma crescente tendência na indústria de células solares e na fabricação de painéis solares altamente eficientes. No entanto, a tecnologia atual ainda não é suficientemente eficiente e a fabricação de células solares para geração de eletricidade em larga escala é cara.
Por outro lado, há avanços potenciais em tecnologias que podem proporcionar oportunidades melhores para a produção de células solares mais econômicas e eficientes. Os pontos quânticos também têm o potencial de transformar a indústria de células solares. A nanotecnologia pode aumentar a eficiência das células solares, mas a aplicação mais promissora é a redução significativa nos custos de fabricação.
Células fotovoltaicas baseadas em CdTe, CuInGaSe (CIGS), CuInSe (CIS) e diversos materiais orgânicos estão sendo desenvolvidas para reduzir os preços e aumentar a quantidade de energia gerada. Assim, a aplicação de nanotecnologia no design e na fabricação de células solares baratas pode ajudar a preservar o meio ambiente.
Desvantagens das Células Solares Convencionais
As células solares convencionais apresentam algumas desvantagens, como altos custos de fabricação e baixa eficiência. A questão da eficiência limitada é quase inevitável devido ao uso de células de silício. Os fótons da luz solar têm energia suficiente para ejetar elétrons, mas quando a energia do fóton é inferior à energia da banda, o excesso é perdido como calor. Esses dois fatores resultam na perda de cerca de 70% da energia solar incidente nas células solares.
Como a Nanotecnologia Combate o Aquecimento Global e as Mudanças Climáticas
Vantagens das Células Solares Nanoestruturadas
As nanopartículas, com suas propriedades físico-químicas intensificadas e excelente relação entre área e volume, podem ser utilizadas como camadas nanoestruturadas em células solares de filme fino, resultando em três principais vantagens. Primeiro, o caminho óptico efetivo para a absorção de luz é muito maior que a espessura real do filme devido a múltiplas reflexões. Segundo, os elétrons e lacunas gerados pela luz precisam ser transmitidos por um caminho muito mais curto, reduzindo consideravelmente a perda por recombinação.
Como resultado, a espessura da camada de absorção de células solares com filmes finos nanoestruturados pode ser de apenas 150 nanômetros, em vez de vários micrômetros nas células solares tradicionais. Por fim, diferentes camadas de bandgap de energia podem ser projetadas com base em aplicações desejadas usando partículas de tamanhos variados.
A aplicação de nanomateriais na fabricação de células solares também pode trazer outros benefícios, como a redução dos custos de instalação, ao permitir a fabricação de rolos flexíveis em vez de painéis rígidos de cristal. Atualmente, as células solares que utilizam nanotecnologia não são tão eficientes quanto as tradicionais, mas têm custos mais baixos.
Com o tempo, as células solares baseadas em nanomateriais podem se tornar mais baratas e, se os pontos quânticos forem incluídos na fabricação, é possível alcançar eficiências ainda maiores.
Desenvolvimento de Células Solares Baseadas em Nanotecnologia
Projetos de pesquisa em todo o mundo estão focados na busca por células solares altamente eficientes. Em um estudo, nanosheets de fosforeno foram projetados para criar células solares com preços potencialmente mais baixos e eficiências superiores em comparação às células solares de silício.
Há também tentativas de desenvolver células solares baseadas em grafeno, onde folhas de grafeno são separadas por carbonato de lítio, resultando em grafeno 3D que pode substituir o platina nas células solares sensibilizadas por corante, com eficiência de conversão elétrica de 7,8%. Outra tecnologia em desenvolvimento é baseada em pontos quânticos de seleneto de cobre e índio, semelhantes aos pontos quânticos contendo Pb, Cd e Cu, que são considerados tóxicos e caros.
Em um projeto diferente, uma tecnologia de célula solar é investigada, feita de folhas de grafeno e disseleneto de molibdênio com espessura de uma única molécula. Espera-se que essa célula solar gere 1000 vezes mais energia do que as células solares convencionais. Outra tecnologia de célula solar baseada em grafeno foi desenvolvida, onde o grafeno é revestido com nanofios de óxido de zinco. Espera-se que essa modificação leve à produção de células solares flexíveis e de baixo custo, com eficiências mais altas.
Em um método chamado Aerotaxy, nanofios semicondutores são cultivados em nanopartículas de ouro. Algumas auto-assemblagens são aplicadas para alinhar os nanofios em um substrato, principalmente utilizado na fabricação de células solares e outros dispositivos elétricos. As nanopartículas de ouro neste método substituem o substrato de silício usado nas células solares convencionais.
Conclusão
É evidente que o mundo hoje precisa de energia renovável, sustentável e limpa mais do que nunca, para reduzir o uso de combustíveis fósseis que contribuem significativamente para a poluição atmosférica e atender à crescente demanda por energia.
É necessário intensificar a pesquisa para introduzir as plataformas mais eficientes para converter energia solar em eletricidade. Dadas as propriedades intrigantes e a maior área de superfície para capturar uma quantidade enorme de fótons, os nanomateriais podem desempenhar um papel importante no desenvolvimento de células solares e na exploração da grande quantidade de calor e energia proveniente do Sol.
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