A equipe de pesquisa científica da Universidade Tecnológica de Nanyang (NTU), em Cingapura, anunciou recentemente que desenvolveu um tipo de célula solar de perovskita ultrafina e translúcida, com espessura de apenas cerca de 10 nanômetros, o que equivale a cerca de um décimo milésimo de um fio de cabelo humano. É cerca de 50 vezes mais fina que as células convencionais de perovskita, mas ainda mantém a eficiência de conversão fotoelétrica líder entre dispositivos ultrafinos. Espera-se que seja integrado diretamente em superfícies transparentes, como vidros de edifícios, janelas de carros e até vidros inteligentes, transformando o vidro originalmente de “iluminação passiva” em um transportador de energia para geração de energia sustentável.

Um grande obstáculo prático à implantação em larga escala da energia solar nas cidades é “onde colocar os painéis”. Os módulos fotovoltaicos tradicionais não são apenas opacos e pesados, mas também requerem vidro protetor, camadas de encapsulamento, suportes metálicos e estruturas de instalação. Um painel doméstico padrão pesa de 18 a 23 kg e tem potência de cerca de 350 a 450 watts. É quase irrealista que um grande edifício de escritórios seja “autossuficiente” com energia fotovoltaica nos telhados. Muitas cidades de alta densidade também carecem de grandes áreas de espaço aberto para instalar usinas fotovoltaicas. Cobrir a parte externa da parede cortina de vidro com painéis fotovoltaicos opacos e pesados ​​não só altera a aparência do edifício, mas também afeta a iluminação e o desempenho térmico. Portanto, como utilizar a superfície de vidro de grande área sempre foi a direção da pesquisa em tecnologia fotovoltaica transparente.

O plano da equipe da NTU é usar perovskita, o “material estelar” no campo fotovoltaico na última década. Este tipo de material cristalino tem custos de preparação potencialmente baixos, alta eficiência teórica e ainda pode manter um bom desempenho de geração de energia sob condições de pouca luz e luz dispersa. É muito adequado para ambientes urbanos de canyon com edifícios altos e sombras escalonadas. Ele pode continuar a gerar eletricidade em orientações não ideais e em períodos de luz solar não mais forte, compensando as deficiências das células tradicionais à base de silício, que são altamente dependentes da luz solar direta. A equipe de pesquisa preparou camadas ultrafinas de absorção de perovskita com espessuras de 10, 30 e 60 nanômetros no experimento. A eficiência de conversão fotoelétrica do dispositivo opaco nessas três espessuras atingiu aproximadamente 7%, 11% e 12% respectivamente. Com base nisso, eles também fabricaram um dispositivo translúcido de 60 nanômetros de espessura com eficiência de 7,6%, enquanto ainda transmite cerca de 41% da luz visível, encontrando um equilíbrio entre "cenário externo visível" e "capacidade substancial de geração de energia".

Comparado com módulos solares tradicionais com eficiência superior a 20% no mercado, esse número não é deslumbrante, mas seu apelo em nível de sistema é obviamente diferente sob a premissa de que o dispositivo tem quase "peso zero", pode funcionar com pouca luz e pode ser diretamente integrado à estrutura de vidro. Mais importante ainda, os dispositivos da NTU são de “cor neutra” e não trazem manchas ou tingimentos óbvios ao vidro. A aparência ainda é semelhante à do vidro transparente comum, o que é particularmente crítico para edifícios modernos que prestam atenção aos efeitos de fachada. A equipe de pesquisa destacou que, ao controlar com precisão a espessura de deposição da camada de perovskita, o compromisso entre transparência e eficiência pode ser ajustado durante a fase de fabricação para se adaptar às necessidades dos diferentes cenários de aplicação.

Outro destaque deste trabalho é o processo de preparação. A equipe não usou processos úmidos, como o revestimento giratório em solução, atualmente comum em laboratórios, mas adotou uma tecnologia de evaporação térmica a vácuo industrialmente madura: aquecer o material em uma câmara de vácuo para vaporizá-lo e depositá-lo em uma camada ultrafina na superfície do substrato. Os pesquisadores disseram que esta é a primeira vez que células solares ultrafinas de perovskita foram preparadas inteiramente através de um processo de vácuo. Esta tecnologia tem sido amplamente utilizada nas indústrias de semicondutores e displays. Ele pode atingir grandes áreas, espessura altamente uniforme e filmes sem solventes, o que tem vantagens óbvias para futura produção em larga escala e controle de rendimento.

De acordo com estimativas da equipa de investigação, se esta tecnologia for ampliada com sucesso na engenharia e integrada nas paredes de cortina de vidro de edifícios altos, como toda a fachada de vidro de um edifício super alto como o One World Trade Center em Nova Iorque, poderia teoricamente gerar milhões de quilowatts-hora de electricidade por ano, o que é aproximadamente equivalente ao consumo de electricidade de 40 famílias americanas médias durante um ano. A líder da equipe Annalisa Bruno, professora associada da Escola de Ciências Físicas e Matemáticas e da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da NTU, observou que, com cerca de 40% do consumo global de energia proveniente do ambiente construído, as tecnologias que convertem perfeitamente as superfícies dos edifícios em ativos geradores de energia estão se tornando cada vez mais urgentes.

No entanto, o caminho para a realidade ainda está cheio de desafios. Embora a energia fotovoltaica de perovskita tenha repetidamente estabelecido recordes de eficiência em laboratório, eles sempre foram preocupados com o "problema vitalício" no caminho para a comercialização: o material é sensível ao vapor de água, oxigênio, calor e raios ultravioleta, e é propenso à degradação quando exposto ao ambiente externo por um longo tempo. Como manter um desempenho estável ao longo de muitos anos de operação é um gargalo técnico reconhecido neste campo. Sam Stranks, professor da Universidade de Cambridge que não esteve envolvido na pesquisa, comentou que os resultados são encorajadores, mas o próximo passo importante é verificar a estabilidade a longo prazo, a durabilidade e o desempenho do dispositivo em grandes áreas. Ainda há uma grande lacuna de engenharia entre fazer amostras de alto desempenho em pequenas áreas no laboratório e realmente produzir dezenas de milhares de metros quadrados de "vidro para geração de energia".

Ainda assim, se os problemas de durabilidade e expansão forem eventualmente resolvidos, o impacto potencial poderá ser de longo alcance. As fachadas das cidades modernas são cobertas por uma grande quantidade de vidro. Além da iluminação, esses vidros também aumentarão a carga de refrigeração no interior do edifício. Se pelo menos uma parte delas puder ser convertida em unidades invisíveis de geração de energia, uma nova rede de energia urbana distribuída será aberta sem ocupar terreno adicional. A equipe da NTU acredita que as perspectivas de aplicação não se limitam a fachadas de edifícios, mas também podem se estender a vidros de veículos, claraboias, dispositivos eletrônicos vestíveis, óculos inteligentes e outros cenários. Espera-se que a energia fotovoltaica leve e translúcida permita que alguns dispositivos continuem a carregar lentamente sob a luz ambiente diária, sem expor deliberadamente os tradicionais "painéis pretos".

A equipe de pesquisa científica apresentou um pedido de patente para este tipo de estrutura de filme de perovskita ultrafina através da NTUitive, a instituição de transformação tecnológica da Universidade Tecnológica de Nanyang, e está trabalhando com parceiros da indústria para verificar e padronizar seu processo de evaporação térmica para estabelecer as bases para a industrialização subsequente. Actualmente, esta tecnologia ainda está em fase de investigação, mas deu um passo fundamental na direcção da "fotovoltaica invisível" e também acrescenta uma imaginação mais realista ao novo quadro energético urbano de "deixar as janelas gerarem a sua própria electricidade".