Célula solar quebra recorde mundial de eficiência em luz natural

Fonte: www.inovacaotecnologica.com.br

Nova célula solar bateu recorde sob iluminação normal.

[Imagem: Wayne Hicks/NREL]

Recorde célula solar sob 1 sol

Pesquisadores criaram uma célula solar com uma eficiência recorde de 39,5% sob iluminação de 1 sol.

Esta é a célula solar de maior eficiência de qualquer tipo quando a eficiência é medida usando condições ambientais (1 sol) - existem vários recordes maiores, mas sempre usando iluminação artificialmente concentrada por lentes.

"A nova célula é mais eficiente e tem um design mais simples que pode ser útil para uma variedade de novas aplicações, como aplicações de área restrita ou aplicações espaciais de baixa radiação," disse Myles Steiner, do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA.

A célula é baseada em uma arquitetura conhecida como multijunção metamórfica invertida (IMM: Inverted Metamorphic Multijunction), feita com os chamados materiais III-V, semicondutores usados para fabricar componentes que transformam eletricidade em luz (LEDs) e vice-versa (células solares). O recorde anterior nessa classe era de 37,9%, batido em 2013 pela empresa japonesa Sharp.

Célula solar de poço quântico

A melhoria na eficiência deveu-se ao progresso no campo dos chamados "poços quânticos", que envolve várias camadas muito finas para modificar as propriedades das células solares. Cada camada é feita de um material talhado para capturar e utilizar uma parte diferente do espectro solar.

A junção superior é feita de fosfeto de gálio e índio (GaInP), a do meio de arseneto de gálio (GaAs) com poços quânticos e a parte inferior é feita de arseneto de gálio-índio (GaInAs).

"Um elemento-chave é que, embora o GaAs seja um excelente material e geralmente usado em células multijunção III-V, ele não possui o bandgap correto para uma célula de três junções, o que significa que o equilíbrio de fotocorrentes entre as três células não é ideal," detalhou o pesquisador Ryan France. "Aqui, modificamos o bandgap, mantendo excelente qualidade do material usando poços quânticos, o que permitiu construir este dispositivo e potencialmente outras aplicações".

A tecnologia de tripla junção recebeu um incremento com os pontos quânticos.

[Imagem: Ryan M. France et al. - 10.1016/j.joule.2022.04.024]

Aplicações especializadas

As células solares III-V são conhecidas por sua alta eficiência, mas o processo de sua fabricação é tradicionalmente caro. Por isso, até agora, elas têm sido usadas em aplicações como satélites espaciais, veículos aéreos não tripulados e outros usos onde o custo não é um fator limitador.

Bibliografia:

Artigo: Triple-junction solar cells with 39.5% terrestrial and 34.2% space efficiency enabled by thick quantum well superlattices

Autores: Ryan M. France, John F. Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young, Alan Kibbler

Revista: Joule

DOI: 10.1016/j.joule.2022.04.024

 

Energia fotovoltaica que funciona à noite é possível com diodo termorradiativo

Fonte: www.inovacaotecnologica.com.br

A conversão da radiação infravermelha em eletricidade inaugura o campo da energia solar noturna.[Imagem: UNSW Sydney]

Conversão de infravermelho em eletricidade

O Sol aquece significativamente a crosta terrestre durante o dia; mas basta ele se pôr para que essa energia seja perdida rapidamente para o frio do espaço.

Agora, pesquisadores australianos testaram com sucesso o que eles chamam de "diodo termorradiativo", um componente capaz de converter esse calor em energia elétrica.

Isso, segundo a equipe, inaugura na prática a "energia solar noturna". De fato, a energia foi provida pelo Sol e o termo fotovoltaico refere-se à transformação de fótons em corrente de elétrons - a única diferença é que, neste caso, os fótons estão na faixa do infravermelho, e não do visível.

Quem explica a pesquisa é o professor Nicholas Daukes, da Universidade de Nova Gales do Sul: "No final do século 18 e início do século 19, descobriu-se que a eficiência dos motores a vapor dependia da diferença de temperatura no motor, e aí nasceu o campo da termodinâmica.

"Os mesmos princípios se aplicam à energia solar - o Sol fornece a fonte quente e um painel solar relativamente frio na superfície da Terra fornece um absorvedor de frio. Isso permite que a eletricidade seja produzida.

"No entanto, quando pensamos na emissão infravermelha da Terra para o espaço sideral, agora é a Terra que é o corpo comparativamente quente, com o vasto vazio do espaço sendo extremamente frio.

"Pelos mesmos princípios da termodinâmica, é possível gerar eletricidade a partir dessa diferença de temperatura também: A emissão de luz infravermelha para o espaço."

"Geralmente pensamos na emissão de luz como algo que consome energia, mas no infravermelho médio, onde todos brilhamos com energia radiante, mostramos que é possível extrair energia elétrica."

Estrutura do componente, que agora precisará melhorar em eficiência.

[Imagem: Michael P. Nielsen et al. - 10.1021/acsphotonics.2c00223]

Fotovoltaica que funciona à noite

A quantidade de energia produzida pelo diodo termorradiativo construído pela equipe é pequena, aproximadamente 0,001% da eletricidade produzida por uma célula solar, mas a prova de conceito é significativa porque a quantidade disponível de energia termal é imensa.

"Ainda não temos o material milagroso que fará do diodo termorradiativo uma realidade cotidiana, mas fizemos uma prova de princípio e estamos ansiosos para ver o quanto podemos melhorar esse resultado nos próximos anos," disse Nicholas.

A equipe já está entrando na próxima fase da pesquisa, que focará na busca de materiais mais eficientes para construir versões otimizadas do conversor de energia infravermelha em eletricidade.

E eles não estão sozinhos: Essa área emergente de uma fotovoltaica que funciona à noite já conta com equipes de várias partes do mundo.

Diodo termorradiativo

O diodo termorradiativo representa a contraparte simétrica menos conhecida da energia solar fotovoltaica que, em vez disso, utiliza a emissão líquida de luz em vez de absorção para gerar energia. Embora existam previsões teóricas promissoras para sua aplicação na geração de energia no céu noturno e na recuperação de calor residual, os limites tecnológicos atuais não foram explorados. Aqui, medimos explicitamente as características eletro-ópticas dos fotodiodos de HgCdTe em uma variedade de energias de banda em operação termorradiativa e fotovoltaica, apoiadas por cálculos teóricos que incluem processos críticos não radiativos. Com um diferencial de temperatura de apenas 12,5 °C, medimos um pico de densidade de potência elétrica termorradiativa de 2,26 mW/m 2para um fotodiodo emitindo perto de 4,7 μm, com uma eficiência radiativa estimada de 1,8%. Nossos resultados destacam a necessidade de alcançar altas eficiências radiativas com semicondutores de infravermelho médio para cumprir a promessa de geração de energia termorradiativa.

Bibliografia:

Artigo: Thermoradiative Power Conversion from HgCdtTe Photodiodes and Their Current–Voltage Characteristics

Autores: Michael P. Nielsen, Andreas Pusch, Muhammad H. Sazzad, Phoebe M. Pearce, Peter J. Reece, Nicholas J. Ekins-Daukes

Revista: ACS Photonics

DOI: 10.1021/acsphotonics.2c00223

 

Professores da Universidade Federal de Campina Grande (Brasil) avaliam os impactos de um projeto fotovoltaico durante o seu ciclo de vida

Fonte:Revista Fotovolt / abril 2022

A análise de 47 sistemas solares fotovoltaicos isolados de 100 a 6600W, de 1987 a 2004, indicou tendência de redução de preços de aproximadamente 1 US$/W ao ano.

Globalmente, a geração de energia solar fotovoltaica atingiu em 2016 em torno de 300 GW, equivalente a 310 TWh, 26% a mais que em 2015, representando pouco mais de 1% da produção global de energia. Os projetos em escala de utilidade pública representam 55% da capacidade total instalada, sendo o restante aplicações distribuídas (residencial, comercial e off-grid). O Brasil, apesar de possuir grande potencial (vasto território, localização próxima à linha do Equador e alta incidência solar durante praticamente todo o ano), ainda explora pouco esse tipo de geração. Entretanto, o PDE 2026 - Plano Decenal de Expansão de Energia estima que a capacidade instalada de conversão solar chegará a 13 GW em 2026, sendo 9,6 GW de conversão centralizada e 3,4 GW de conversão distribuída.

À medida que o mercado fotovoltaico cresce, toma-se cada vez mais importante compreender o desempenho energético das tecnologias fotovoltaicas, bem como investigar todos os processos envolvidos durante a vida do módulo. Em termos quantitativos, uma das formas de avaliação desse processo são os indicadores Relação de Energia Útil (REU) e Retorno da Energia Investida (EROI), que constituem duas das métricas mais comuns para representar o desempenho energético de diferentes tecnologias. Neste contexto, este trabalho visa avaliar os indicadores REU e EROI, considerando dados de um sistema solar fotovoltaico que será instalado no Laboratório de Sistemas de Potência (LSP), situado no Departamento de Engenharia Elétrica da LTFCG, em Campina Grande, PB. Os resultados serão comparados a dados de ciclo de vida dos módulos obtidos em estudos encontrados na literatura, possibilitando uma análise das condições de implementação da tecnologia nesta região.