Uma avançada célula solar de silício perovskita foi testada em várias condições climáticas. Os testes esclareceram como as características de corrente-tensão dos painéis tandem montados no telhado diferem dos parâmetros correspondentes obtidos em laboratório.
O design de células solares inovadoras geralmente é otimizado para laboratórios. Os painéis são testados e melhorados em condições ideais nas quais a iluminação e a temperatura são estáveis.
Mas no mundo real as coisas são diferentes. O ângulo de incidência dos raios solares muda constantemente durante o dia, e as nuvens reduzem continuamente a intensidade da luz incidente. Portanto, o aquecimento das células solares dentro do painel varia em função de duas variáveis – a altura do Sol e o clima. E por causa da variação de temperatura do painel, seu desempenho – a saída de energia – em campo não será o mesmo que no laboratório.
Modelos matemáticos foram desenvolvidos para células solares convencionais para mostrar quais serão essas diferenças. Ou seja, conhecendo a eficiência de um painel solar de silício convencional calculado em laboratório, é possível prever com alta precisão quanta eletricidade ele produzirá quando instalado em algum lugar do telhado de uma casa na região de Odessa.
No entanto, como os módulos solares revolucionários, como os painéis tandem baseados em perovskita , funcionarão em condições naturais, permaneceu um mistério até recentemente. Não ficou claro exatamente como as mudanças no espectro solar e, mais importante, as flutuações de temperatura afetariam seu desempenho.
Uma recente publicação científica na revista Nature Energy de Erkan Aydin, Stefaan De Wolf e seus colegas da Arábia Saudita e da Espanha ajudou a esclarecer essas ambiguidades. Os pesquisadores determinaram como as relações entre a temperatura e as energias do band gap afetam o desempenho de células solares em tandem de perovskita-silício de 2 terminais sob condições operacionais do mundo real. Em particular, eles descobriram que o painel tandem funciona de forma mais eficiente em temperaturas mais baixas do que se pensava anteriormente .
Referência: em células tandem de perovskita-silício, uma camada de perovskita é depositada sobre o silício tradicional. As duas substâncias de trabalho permitem que os painéis coletem mais energia solar. Uma fotocélula de perovskita translúcida captura certos comprimentos de onda do espectro visível e passa outros comprimentos de onda através de si mesma para eliminação pela célula de silício.
Uma célula tandem de dois terminais funciona melhor quando ambas as suas fotocélulas têm a maior densidade de corrente igual. Se as camadas de perovskita e silício da célula trabalharem com eficiência diferente, o desempenho de seu conjunto será reduzido para aproximadamente o nível do mais fraco de seus dois elos.
A densidade de corrente de uma fotocélula é um valor que depende do band gap do absorvedor (silício ou perovskita). E este parâmetro é instável no campo. A largura do bandgap pode aumentar ou diminuir conforme as condições climáticas mudam.
Ao investigar a sensibilidade espectral de uma célula tandem medindo sua eficiência quântica externa, a equipe de Erkan Aydin descobriu que o gap de uma fotocélula de perovskita aumenta com o aquecimento (Fig. 1a). Isso significa que a densidade de corrente gerada pela fotocélula de perovskita da célula diminui à medida que aquece.
Com relação à fotocélula de silício da célula, os pesquisadores descreveram dois efeitos que aumentam a densidade de corrente nela. Em primeiro lugar, aumentar o gap da banda perovskita permite que mais fótons passem para a célula de silício. Em segundo lugar, o aumento da temperatura da célula reduz o gap de silício (Fig. 1b). Devido a esses efeitos, as duas fotocélulas da célula tandem experimental, que demonstraram a mesma densidade de corrente em laboratório, funcionaram de forma diferente ao ar livre (Fig. 2).
Os pesquisadores descobriram como as energias de banda de perovskita e silício dependem da temperatura ambiente. Para fazer isso, eles calcularam os parâmetros de sua célula tandem, primeiro em laboratório, e depois mediram suas características de tensão de corrente e temperatura ao ar livre em um clima quente e ensolarado. Lá, seu dispositivo experimental aqueceu até 60°C do Sol, mas, segundo os pesquisadores, a temperatura dentro da célula em tandem poderia subir para 75°C se os painéis solares fossem colocados nos telhados.
A equipe de Erkan Aydin confirmou os resultados de estudos anteriores mostrando que um aumento na temperatura leva a uma diminuição na voltagem. Os pesquisadores também calcularam que o gap ideal de perovskita de 1,73 eV, que foi teoricamente determinado em condições ideais, é muito alto. Nas condições de temperatura sob as quais eles conduziram seus experimentos de campo, o melhor rendimento energético foi obtido quando o band gap foi de 1,685 eV. Mas a equipe de Erkan Aydin levanta a hipótese de que pesquisas futuras podem reduzir ainda mais o valor ideal desse parâmetro, mais próximo de 1,65 eV.
O fato de que o gap ótimo de maximização do rendimento de energia acabou sendo menor do que o teórico é uma boa notícia. Anteriormente perovskitas “high-bandgap” (com bandgap> 1,7 eV) foram associados a problemas de estabilidade do dispositivo. Agora há mais confiança no aparecimento iminente de painéis solares de perovskita-silício confiáveis e duráveis.
A equipe de Erkan Aydin melhorou a compreensão de como as mudanças de temperatura externa afetam as lacunas de banda de perovskita e silício e afetam o desempenho do dispositivo tandem. No entanto, a imagem completa de como a célula de silício perovskita funciona em campo precisa ser desvendada para tornar essa tecnologia comercial e tecnicamente viável.
Mais pesquisas são necessárias para elucidar como a absorção parasitária da camada de perovskita reduz seu band gap ótimo. Você também precisa testar a perovskita com uma superfície texturizada em condições climáticas. Pode revelar-se um material mais adequado para fazer células solares. E seu gap ideal também não será o mesmo da perovskita com uma superfície lisa.
Ao estudar esses fatores e suas interações com a temperatura e as condições meteorológicas, os pesquisadores poderão modelar com precisão o desempenho de “campo” de uma célula de perovskita-silício. Este modelo é importante para entender como uma célula tandem deve ser projetada para produzir melhor energia em condições reais de painéis solares.