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Christopher Bruner Enviado como curso
de Física 240 ,
Universidade de Stanford, outono de 2010
Introdução Apenas nos últimos 10 anos, vimos grandes avanços no desenvolvimento e
compreensão das tecnologias de energia renovável; as células solares
orgânicas baseadas em polímeros conjugados representam apenas uma dessas
muitas alternativas promissoras para a queima de combustíveis
fósseis. Uma estimativa em 2007 estimou que o consumo elétrico mundial é
de cerca de 13 x 10 12 Watts de energia para manter o
mundo e, em 2050, aumentará em 10 x 10 12 Watts. [1]
Para colocar este número em perspectiva, uma lâmpada comum requer 60 Watts
para operar, de modo que 13 x 10 12 /60 é equivalente a
cerca de 2,2 x 10 11lâmpadas funcionando
simultaneamente! Claramente, com os combustíveis fósseis sendo um
recurso finito, torna-se cada vez mais atraente aproveitar a energia do sol
para nossas necessidades. Trabalhos internos A Fig. 1 mostra o princípio operacional mais básico para uma célula
solar. [2] A luz vem de uma fonte, neste caso a luz solar, e transmite
energia sobre a camada ativa. Essa energia transmitida faz com que
cargas elétricas, positivas e negativas, se separem em eletrodos
diferentes. Isso é o que é chamado de criação de par elétron-buraco,
onde o elétron representa a carga negativa e os buracos representam a carga
positiva. Este movimento subsequente de cargas para os diferentes
eletrodos cria uma corrente elétrica ou o movimento de
eletricidade. Podemos então aproveitar essa corrente elétrica para
trabalhos como acender uma lâmpada, ligar uma calculadora e operar muitos
outros aparelhos comuns. O que diferencia as células solares orgânicas baseadas em polímeros de
outras células solares é a escolha dos materiais para a camada
ativa. Como podemos ver na Fig. 2, a camada ativa consiste
essencialmente em dois componentes diferentes: um polímero e um fulereno. [3] O que torna o uso desses materiais tão
desejável em comparação a, digamos, camadas ativas de silício de cristal
único, é o custo relativamente baixo para a produção dessas
células. Como exatamente é de baixo custo de produção? Há várias
razões para isso. Primeiro, os materiais usados nessas
células podem ser dissolvidos em alguma solução e, em seguida, simplesmente
colocados em um eletrodo. Isso significa que podemos usar técnicas de
produção em massa, como impressão a jato de tinta (pense em impressoras
imprimindo folhas de células solares!) Ou revestimento giratório. Além
disso, o processamento de tudo ocorre em temperatura relativamente baixa para
que você possa "imprimir" a célula solar em materiais como
plástico em vez de apenas vidro; isso significa que a entrada de energia
para produzir essas células é mais eficiente em comparação com as células
solares à base de silício. [4]
Desafios Então, quanta energia podemos extrair dessas células
solares? Bem, medimos a quantidade de energia que uma célula solar
produz com base na eficiência de conversão de energia, ou seja, qual
porcentagem da luz do sol está realmente sendo convertida em energia
elétrica. Em um belo dia de sol, a Terra experimenta cerca de 1000 Watts
por metro quadrado. [5] Portanto, se uma célula solar é avaliada para
15% de eficiência de conversão de energia, 15% da luz solar é convertida em
energia: 1000 Watts / m 2 x 0,15 = 150 Watts / m 2 Isso afirma que se você tem uma célula solar com um metro quadrado de
área, então você ganha 150 Watts, o que é suficiente para alimentar duas
lâmpadas e meia de 60 Watts. Quinze por cento é a melhor eficiência que
obtemos para células solares de silício de cristal único. [1]
Infelizmente, as células solares orgânicas baseadas em polímeros ainda não
atingiram esse limite, com a melhor célula atualizada possuindo um pouco
menos de 8% de eficiência de conversão de energia. [4] Além da menor eficiência geral de conversão de energia, as células
solares orgânicas de polímero são propensas à degradação química e foto-branqueamento. Juntamente
com o fato de que essas células solares são muito suscetíveis à propagação de
defeitos, a vida útil geral da célula solar se torna um problema. [6] As
células solares à base de silício previram estabilidades de vida de mais de
25 anos, mesmo em climas adversos. Se a camada ativa para células
solares de polímero de base orgânica tiver água ou oxigênio presente, a
célula solar se degrada muito rapidamente. Com o encapsulamento
adequado, entretanto, a vida útil do dispositivo em mais de 10.000 horas (417
dias) foi encontrada. [6] Infelizmente, essas células não são tão
robustas quanto poderíamos esperar. Conclusão Em suma, o mundo precisará de uma fonte de energia renovável para
manter a quantidade de consumo de energia que temos hoje. As células
solares orgânicas apresentam um novo método de pegar a luz do sol e
convertê-la em energia utilizável; no entanto, ainda existem barreiras
que devem ser superadas antes que possam ver o uso generalizado, ou seja,
aumentar a eficiência geral e aumentar a vida útil do
dispositivo. Embora as células solares orgânicas possam não ser a
resposta no longo prazo, elas certamente ajudarão a pavimentar o caminho para
avanços na tecnologia fotovoltaica. © 2010 Christopher Bruner. O autor concede permissão para copiar,
distribuir e exibir este trabalho de forma inalterada, com atribuição ao
autor, apenas para fins não comerciais. Todos os outros direitos,
incluindo direitos comerciais, são reservados ao autor. Referências [1] PV Kamat, "Meeting the Clean Energy Demand: Nanostructure Architectures for
Solar Energy Conversion," J. Phys. Chem. C 111 , 2834 (2007). [2] W. Cai, X. Gong e Y. Cao, "Polymer
Solar Cells: Recent Development and Possible Routes for Improvement in the
Performance", Solar Energy Materials & Solar
Cells 94 ,
114 (2010). [3] S. Gunes, H. Neugebauer
e NS Sariciftci, "Conjugated
Polymer-Based Organic
Solar Cells", Chem. Rev. 107 , 1324 (2007). [4] AC Mayer <i<="" i="">,
"Polymer-Based Solar Cells",
Materials Today 10 ,
28 (2007).</i [5] BA Gregg, "Excitonic
Solar Cells", J. Phys. Chem. B 107 ,
4688 (2003). [6] M. Jorgensen, K. Norrman
e FC Krebs, "Stability / Degradation
of Polymer Solar Cells",
Solar Energy Materials & Solar Cells 92 , 686
(2008). |
