Uma breve história da energia solar

Os primórdios da História da energia solar estão marcados pela serendipidade. O efeito fotovoltaico foi observado em 1839 pelo físico francês que observou pela primeira vez o paramagnetismo do oxigénio líquido, Alexandre Edmond Becquerel. Um muito jovem Becquerel conduzia experiências electroquímicas quando, por acaso, verificou que a exposição à luz de eléctrodos de platina ou de prata dava origem ao efeito fotovoltaico.

A serendipidade foi igualmente determinante na construção da primeira célula fotovoltaica. Nas palavras de Willoughby Smith numa carta a Latimer Clark datada de 4 de Fevereiro de 1873, a sua descoberta do efeito fotovoltaico no selénio foi um acidente inesperado:

«Being desirous of obtaining a more suitable high resistance for use at the Shore Station in connection with my system of testing and signalling during the submersion of long submarine cables, I was induced to experiment with bars of selenium – a known metal of very high resistance. I obtained several bars, varying in length from 5 cm to 10 cm, and of a diameter from 1.0 mm to 1.5 mm. Each bar was hermetically sealed in a glass tube, and a platinum wire projected from each end for the purpose of connection. (…) While investigating the cause of such great differences in the resistance of the bars, it was found that the resistance altered materially according to the intensity of light to which they were subjected.»

Na sequência desta descoberta, Adams e o seu aluno Richard Day desenvolveram em 1877 o primeiro dispositivo sólido de fotoprodução de electricidade, um filme de selénio depositado num substrato de ferro em que um filme de ouro muito fino servia de contacto frontal. Este dispositivo apresentava uma eficiência de conversão de aproximadamente 0,5%.

Charles Fritts duplicou essa eficiência para cerca de 1% uns anos depois construindo as primeiras verdadeira células solares, construindo dispositivos assentes igualmente em selénio, primeiro com um filme muito fino de ouro e depois um sanduiche de selénio entre duas camadas muito finas de ouro e outro metal na primeira célula de área grande.

No entanto, não foram as propriedades fotovoltaicas do selénio que excitavam a imaginação da época mas sim a sua fotocondutividade, isto é, o facto de a corrente produzida ser proporcional à radiação incidente e dependente do comprimento de onda de uma forma que o tornava muito atraente como medir a intensidade da luz em fotografia. E de facto, estes dispositivos encontraram a sua primeira aplicação nos finais do século XIX pela mão do engenheiro alemão Werner Siemens (o fundador do império industrial homónimo) que os comercializou como fotómetros para máquinas fotográficas.

Embora tenha sido Russell Ohl quem inventou a primeira solar de silício, considera-se que a era moderna da energia solar teve início em 1954 quando Calvin Fuller, um químico dos Bell Laboratories em Murray Hill, New Jersey, nos Estados Unidos da América, desenvolveu o processo de dopagem do silício. Fuller partilhou a sua descoberta com o físico Gerald Pearson, seu colega nos Bell Labs e este, seguindo as instruções de Fuller, produziu uma junção p-n ou díodo mergulhando num banho de lítio uma barra de silício dopado com um elemento doador electrónico. Ao caracterizar electricamente a amostra, Pearson descobriu que esta exibia um comportamento fotovoltaico e partilhou a descoberta com ainda outro colega, Daryl Chapin, que tentava infrutiferamente arranjar uma alternativa para as baterias eléctricas que alimentavam redes telefónicas remotas.

As primeiras células fotovoltaicas assim produzidas tinham alguns problemas técnicos que foram superados pela química quando Fuller dopou silício primeiro com arsénio e depois com boro obtendo células que exibiam eficiências recorde de cerca de 6%.

A primeira célula solar foi formalmente apresentada na reunião anual da National Academy of Sciences, em Washington, e anunciada numa conferência de imprensa no dia 25 de Abril de 1954. No ano seguinte a célula de silício viu a sua primeira aplicação como fonte de alimentação de uma rede telefónica em Americus, na Geórgia.

A primeira bateria solar da Bell em Americus, Geórgia

Silício

As primeiras utilizações de energia fotovoltaica resumiam-se a situações em que não estava disponível energia da rede, nomeadamente em locais remotos e, especialmente, fora da Terra, quer em satélites quer em sondas espaciais.

De facto, embora inicialmente a NASA não estivesse muito convencida das vantagens da utilização de painéis solares aceitou, com alguma relutância, dotar o Vanguard I de um pequeno painel, seis células solares com uma área de apenas 1 dm2, para alimentar um transmissor back-up de outro alimentado por uma pilha de mercúrio. O transmissor do satélite, lançado em Março de 1958 e ainda em órbita, funcionou durante cerca de oito anos … mas aquele alimentado pelas células solares, a pilha «convencional» falhou ao fim de vinte dias.

Depois do fiasco salvo pelas baterias solares, que tiveram aqui a sua prova de fogo, o programa espacial norte-americano passou a usar células solares nos seus satélites, solução igualmente adoptada pelo programa espacial soviético: o Sputnik-3, lançado cerca de dois meses depois do Vanguard I, estava igualmente dotado de um pequeno painel solar.

Na década de sessenta, a investigação em células solares surge quasi como um efeito colateral da guerra fria entre as duas grandes superpotências da época. Ou seja, foi a guerra ao espaço que promoveu um grande desenvolvimento das células solares, desenvolvimento que foi essencialmente dirigido a um aumento de eficiência e tinha poucas ou nenhumas preocupações económicas.

A situação alterou-se no início da década de setenta, quando Joseph Lindmeyer, que trabalhava para a Communications Satellite Corporation, inventou uma célula de silício cerca de 50% mais eficiente que qualquer outra. Embora a Comsat fosse a dona da patente, o sucesso desta célula convenceu Lindmeyer de que a energia solar estava pronta para o público em geral. Lindmeyer saiu da Comsat e com Peter Varadi fundou a Solarex em 1973.

Aquela que foi uma das primeiras empresas a tentar vender aplicações «civis» da energia solar começou por produzir painéis fotovoltaicos para sistemas de telecomunicações remotos e bóias de navegação, o único tipo de aplicações terrestres que se pensava serem economicamente interessantes. Mas cerca de dois meses depois de fundada a Solarex, a conjuntura alterou-se drasticamente com o primeiro choque petrolífero e, subitamente, o mercado da energia solar conheceu uma expansão inesperada. Em 1980, a Solarex detinha metade de um pequeno mas crescente mercado de células solares.

A crise petrolífera de 1973 levou a outra corrida a programas de investigação em células solares, agora mais dirigidos para a redução dos custos de produção. Até aí os painéis solares eram baseados exclusivamente em células de silício monocristalino. Mas a fabricação das células solares tradicionais – as células de 1ª geração que, com excepção das células de arsenieto de gálio, são ainda as mais eficientes disponíveis no mercado – feitas deste material, o mesmo utilizado para a fabricação dos chips de computador, exige salas limpas e tecnologia muito sofisticada, o que as torna demasiado caras.

A investigação intensiva nesta área despoletada pela primeira crise petrolífera conduziu à descoberta de novos materiais, em particular o silício multicristalino ou mesmo silício amorfo, muito menos exigentes em termos de processo de fabrico, ou de métodos de produção de silício directamente em fita o que permite eliminar os desperdícios (e esfarelamento) no corte de um grande cristal em bolachas. A deposição dos contactos eléctricos por serigrafia, em vez das técnicas tradicionais de fotolitografia e deposição por evaporação de metais em vácuo, permitiu baixar ainda mais os preços de fabricação.

Em Março foi notícia a descoberta de um investigador do MIT, Emanuel Sachs, que anunciou ter conseguido aumentar a eficiência das células fotovoltaicas policristalinas, muito mais simples e baratas de fabricar.

Com as inovações introduzidas pelo cientista, a eficiência destas células, 19.5%, aproximou-se da eficiência das células convencionais mas os custos de fabricação são muito mais baixos: as células de silício monocristalino custam cerca de US$2.10 por watt gerado; as primeiras gerações destas novas células policristalinas deverão custar US$1.65 por watt gerado, quando fabricadas numa escala industrial. De acordo com Sachs, a curto prazo este preço deve baixar para US$1.30/watt. Como comparação, refere-se que o custo do watt gerado em centrais a carvão é de US$1.00. Sachs afirma que novos revestimentos antirreflexivos deverão permitir que as células solares policristalinas batam o preço do carvão por volta de 2012. As novas células solares policristalinas de alto rendimento são comercializadas pela empresa que fundaram, a 1366 Technologies.

Para além dos Estados Unidos, outro país que tem investido muito em investigação nesta área tem sido a Alemanha que é já o maior mercado de células fotovoltaicas a nível mundial, deixando o Japão, outro país que tem investido massivamente na área, para trás. Ambos os países tem contribuído para tornar a energia solar competitiva, baixando os custos de produção através do desenvolvimento de novas técnicas de produção e criando uma procura que ajudou as indústrias a ultrapassarem a massa crítica no mercado de energia.

Este ano, a Evonik e SolarWorld anunciaram a abertura de uma fábrica de produção de silício «solar» em Rheinfelden, na Alemanha, como parte do seu consórcio Joint Solar Silicon. O seu novo processo de produção de filmes ultra-finos de silício permite uma economia de até 90% da energia utilizado nos processos de produção convencionais. A nova fábrica terá uma capacidade de produção de 850 toneladas de silício «solar» por ano e a matéria-prima será fornecida pela fábrica de silano (SiH4) da Evonik.

As células de filme fino, embora com uma eficiência em laboratório inferior às células de primeira geração, frequentemente permitem melhores resultados em comparação com as células clássicas nas aplicações reais do dia-a-dia, devido a perdas inferiores às temperaturas elevadas de funcionamento e a uma melhor eficiência em condições de baixa intensidade de luz. No entanto, o crescimento da fatia de mercado destas células tem sido limitado pela sua baixa disponibilidade no mercado.  As células convencionais dominam por enquanto o mercado das fotovoltaicas e a falta de silício monocristalino  tem limitado o crescimento do sector e aumentado muito o preço deste material e, consequentemente, dos painéis solares.

Plástico

A conversão de energia solar em electricidade pode ser uma das soluções para a crise energética que o mundo enfrenta. O elevado preço (e o consumo de energia) associado à obtenção do silício utilizado nas células convencionais impede uma maior contribuição da energia fotovoltaica na produção de energia. Embora existam outras alternativas, as células solares de plástico, OPVs, que podem ser fabricadas a baixo custo (também a nível energético), são actualmente as mais promissoras.

De facto, a facilidade de processamento de polímeros, quando comparada com a dos tradicionais semicondutores inorgânicos, apresenta como atractivo o desenvolvimento de técnicas de custo reduzido para aplicações que requerem semicondutores de hiato no vísivel. Um novo sector da indústria electrónica  e fotónica baseado em materiais plásticos, em vez de silício, está já a surgir. Dispositivos, circuitos e sistemas em plástico, de muito baixo custo, que podem ser impressos sobre qualquer material, começam a aparecer no mercado.

Em paralelo com a electrónica convencional baseada no silício está a emergir um novo paradigma baseado, não no elevado desempenho e miniaturização dos componentes, mas sim no baixo custo de fabrico. A electrónica de plástico, também chamada electrónica orgânica, assenta no baixo custo do processamento e na possibilidade de manipulação química para atingir as propriedades desejadas nos materiais. Uma vez que os semicondutores orgânicos podem ser concebidos de modo a ser solúveis em solventes comuns, podem ser usadas tecnologias de produção como impressão a jacto de tinta ou estampagem.

Um dos objectivos mais ambiciosos para produzir circuitos e dispositivos electrónicos de baixo custo baseia-se no uso de impressoras rotativas de alta velocidade (como as usadas para imprimir os jornais), que podem imprimir milhares de circuitos ou dispositivos por metro quadrado que depois podem ser separados por processos automáticos. O uso de substratos flexíveis de plástico ou papel permite atingir custos extremamente baixos para certos tipos de circuitos como os que futuramente irão substituir o actual código de barras.

Outra aplicação da electrónica de plástico, que promete revolucionar a indústria de iluminação, é o uso de OLEDs (de luz branca, se assim se quiser) em painéis de iluminação. As eficiências e tempos de vida já excedem as das lâmpadas incandescentes. A iluminação baseada nesta tecnologia, possibilitará iluminação difusa, com painéis de grande área e cuja intensidade de iluminação pode ser controlada. Também existem LEDs de materiais inorgânicos bastante eficientes, mas de muito maior custo de fabrico.

Mas é nível de dispositivos fotovoltaicos que este novo paradigma da se torna muito aliciante. A flexibilidade de desenhar polímeros que apresentam as propriedades que se queiram para além da tecnologia barata já bem desenvolvida para todos os tipos de filmes plásticos tornaria essa aplicação um sucesso. A flexibilidade mecânica de materiais plásticos seria bem-vinda para integração arquitectónica, nomeadamente em superfícies curvas inacessíveis às tecnologias assentes nos materiais inorgânicos tradicionais.

Assim, não é supreendente que exista um esforço de investigação significativo no desenvolvimento de OPVs. No entanto, é ainda comparativamente inferior o desempenho de dispositivos fotovoltaicos que utilizam um polímero conjugado para absorção de radiação, devido a um baixo rendimento de fotogeração, uma recombinação radiativa considerável e baixa mobilidade dos portadores de carga.

As eficiências de conversão da energia solar, PCE, de todas as OPVS referidas na literatura são muito baixas quando comparadas com as células fotovoltaicas inorgânicas. Uma eficiência fotovoltaica elevada requer uma absorção de luz eficiente e um bom transporte de cargas. Os polímeros apresentam uma mobilidade de cargas muito menor que os seus equivalentes inorgânicos para além de o seus espectro (a parte da luz absorvida) não coincidir com o espectro da luz solar. As mais eficientes, que assentam na utilização de misturas de polímeros com derivados do fullereno, C60, apresentam PCEs à volta de 6%, o que não as torna atractivas para comercialização embora a tecnologia mais barata envolvida e a possibilidade de fabricação de áreas muito grandes sejam um ponto a favor das OPVs para algumas aplicações, por exemplo como tinta de revestimento de superfícies metálicas.

Outras alternativas

Outra alternativa inorgânica às células de silício figurou no número de Fevereiro de 2008 da Chemistry World. O artigo «First sales for ‘world’s cheapest solar cells’» dava conta das primeiras vendas para o público em geral das células fotovoltaicas desenvolvidas pela Nanosolar. Esta empresa americana anunciou nessa data a produção comercial de células de filme fino baseadas numa tinta de um semicondutor muito durável (segundo indicações da Nanosolar, poderá ser usado durante 25 anos). Este semicondutor inorgânico, designado CIGS (acrónimo de Copper Indium Gallium Diselenide, diselenieto de cobre índio e gálio ) apresenta vantagens  em relação ao silício no processo de fabrico, no rendimento e custo de produção de painéis solares.

Os painéis solares produzidos são revestidos com uma mistura homogénea de nanoparticulas dos vários componentes da tinta o que garante uma deposição uniforme na extensão de área que se desejar. O revestimento é posteriormente aquecido de forma a ser obtido um filme fino e contínuo. Os painéis assim produzidos apresentam uma PCE de 19,5% a um custo de apenas 13 cêntimos de dólar por cada Watt produzido (entre 1/10 a 1/5 do custo possível com as células inorgânicas convencionais). O processo de produção é rápido e possibilita um menor desperdício de material, já que se trata de uma tinta que pode ser distribuída por vários tipos de suporte com formas variadas.

A tinta CIGS «Copper Indium Gallium Diselenide» da Nanosolar

O problema com estas células reside no facto de o índio ser um elemento muito pouco abundante na Terra e ser extensivamente usado em muitas outras aplicações. Isto é, o índio, o componente fulcral destas células, é um elemento muito raro e dispendioso e se o preço a que estas células fotovoltaicas conseguem produzir energia eléctrica é muito atraente, a perspectiva de uma utilização massiva que esgotaria as nossas reservas de índio ensombra esta alternativa.

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