Fonte: nsenergybusiness.com
Oxford PV se tornará a primeira empresa a vender células solares baseadas em silício perovskite para o mercado de telhados residenciais no próximo ano.
Oxford PV emprega um conceito "tandem" no qual um filme fino de perovskite é aplicado a uma célula primária de silício convencional (Crédito: Oxford PV)
Oxford PV, que se descreve como "a empresa perovskite", planeja ser um player-chave no que vê como o futuro totalmente elétrico movido a energia solar. James Varley, escritor da revista Modern Power Systems, dá uma olhada em como a empresa pretende atingir esse objetivo.
No próximo ano, se tudo correr como planejado, a Oxford PV se tornará a primeira empresa a vender células solares baseadas em silício perovskite para o mercado de telhados residenciais. Eles terão uma eficiência potencialmente transformadora, cerca de 20% maior do que a tecnologia atual, células somente de silício.
Oxford PV emprega um conceito "tandem" no qual um filme fino de perovskite é aplicado a uma célula convencional de silício primária (ou inferior) (a espessura perovskite é cerca de 1/200 do silício).
Esta abordagem tandem melhora a capacidade de capturar partes específicas do espectro solar, particularmente na extremidade azul de alta energia, o que significa que a célula tandem perovskite-on-silicon tem um limite de eficiência teórica de 43% vs 29% para células somente de silício.
Na prática, a eficiência média do PV de silício residencial instalado até o momento está na faixa de 15-20%, enquanto o máximo "mundo real" para silício é estimado em cerca de 26%.
Espera-se que as primeiras células tandem Oxford PV produzidas comercialmente atinjam uma eficiência de cerca de 27% inicialmente, mas a empresa prevê melhorias constantes à medida que a tecnologia se desenvolve nos próximos anos. "Temos um roteiro claro para levar essa tecnologia para além de 30%", diz o CEO Frank Averdung.
O Dr. Chris Case, CTO da Oxford PV, observa que desde 2014, quando a empresa decidiu focar exclusivamente no tandem perovskite-Si, aumentou a eficiência de sua célula solar em média um ponto percentual por ano e tem um caminho e os fundamentos teóricos para desenvolver ainda mais essa tecnologia até os 30 anos.
Uma célula de pesquisa que emprega a tecnologia Oxford PV já alcançou 29,52% (como certificado pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA), um recorde mundial para células tandem perovskite-Si e também melhor do que qualquer célula de pesquisa de junção única (para a qual o registro atual, 29,2%, é mantido por uma célula que emprega GaAs).
Perovskite foi descoberto pela primeira vez em sua forma mineral de ocorrência natural (CaTiO3) em 1839 (coincidentemente no mesmo ano em que o efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez, aponta Chris Case). Mas é apenas nos últimos dez anos ou assim que o enorme potencial de perovskites sintéticos como material para células solares foi totalmente reconhecido.
O prof Henry Snaith, que co-fundou a Oxford PV em 2010 para comercializar tecnologia solar transferida de seu laboratório na Universidade de Oxford (e é o diretor científico da empresa), desempenhou um papel fundamental nisso, notadamente através de um artigo publicado na Science em 2012, descrevendo uma tecnologia viável de células solares de estado sólido empregando halide perovskite metálico.
O progresso nos últimos 10 anos tem sido notavelmente rápido e os perovskites estão atraindo crescente interesse no campo solar.
Como todos os materiais usados em aplicações de células solares, os perovskites – para os quais a fórmula química genérica é ABX3, onde A e B são cáations e X é o ânion – são semicondutores.
"Os perovskites serão onipresentes em fotônica e eletrônica pelos próximos 50-100 anos", acredita Chris Case. "É um material deslumbrante."
Do ponto de vista da ciência dos materiais, "há uma singularidade, é por isso que é tão boa", acrescenta. "Cada um dos átomos é orientado como um conjunto de octahedra que são empilhados em cima um do outro, e torcidos. Essa torção permite uma difusão de alta fotocorrente 'anômal', e isso é praticamente único para esta estrutura, e as pessoas estão explorando essa propriedade... Essa coisa é ótima, é incrivelmente transformadora."
Além disso, os materiais utilizados para perovskites sintéticos são abundantes, e a quantidade utilizada por unidade de saída celular é muito pequena. "Então, do ponto de vista dos recursos, a tecnologia é capaz de ser dimensionada para o nível de muitos TW", diz Case.
E, além de demonstrar eficiência recorde, células e módulos usando a tecnologia Oxford PV também "passaram por testes de confiabilidade padrão da indústria medidos externamente pela Comissão Eletrotécnica Internacional", acrescenta.
A rota para o mercado
"Os cientistas fizeram seu trabalho", diz Frank Averdung. "Eles identificaram o material. Eles fizeram a estrutura. Eles trabalharam para torná-lo estável e resolveram preocupações sobre durabilidade e vida. A pergunta que temos que descobrir uma resposta agora é: como comercializá-la?"
O desafio é aquele que é enfrentado por praticamente todas as start-ups com algo novo, diz ele. "Você tem um mercado estabelecido. Você estabeleceu jogadores de mercado. Você tem algo significativamente melhor. Mas como você faz as pessoas abraçarem isso? Como você faz isso acontecer?
Como ele aponta, os atores estabelecidos são empresas multibilionárias e investiram bilhões em uma infraestrutura de fabricação. "Eles estão realmente interessados em acabar com tudo isso e fazer algo novo?", pergunta Averdung.
A boa notícia é que a tecnologia Oxford PV tandem, com o silício como célula primária, não requer a escoamento da tecnologia de fabricação existente e "não perturba a indústria", e isso é um grande benefício.
"Quando colocamos uma célula perovskite de filme fino no topo da célula 'primária' de silício, ela ainda tem o mesmo fator de forma e ainda se parece com uma célula Si convencional, mas a tensão de saída é maior", diz Averdung. "Você pode usar as mesmas ferramentas e inseri-las nos mesmos módulos. O tamanho do painel é o mesmo. Tudo é igual. Mas você tem significativamente mais energia fora.
Em termos de aparência, o usuário final não notará nenhuma grande diferença, exceto que "ficará um pouco mais agradável", acrescenta.
Em 2015, a Oxford PV demonstrou que a célula tandem era viável, mas precisava "trazê-la para o fator de forma necessário", explica ele, exigindo uma linha de produção piloto ou "fábrica usada".
Apenas uma fábrica foi encontrada em Brandemburgo an der Havel, alemanha, e adquirida em 2016. "Era muito grande para nós naquela época, mas era perfeito para nossa linha piloto de filmes finos", que estava funcionando em 2017", diz Averdung.
"O papel da linha piloto era, e ainda é, essencialmente, a otimização do produto, pegando todos os resultados do laboratório de Oxford e dimensionando-os em termos de fatores de forma e realizando testes padrão da indústria para verificar se as células estão alcançando a confiabilidade necessária e estabilidade a longo prazo, e atendendo às necessidades da indústria."
Por alguns anos, a Oxford PV trabalhou com um parceiro de desenvolvimento conjunto, uma empresa muito grande no negócio de fotovoltaica, "basicamente nos dizendo o que a indústria iria querer", diz Averdung.
Mas em 2018, ele acrescenta que "tudo o que mudou", e a empresa decidiu que o "melhor e mais rápido caminho para a comercialização da tecnologia seria fazê-lo nós mesmos, permitindo-nos manter todos os parâmetros da tecnologia sob nosso controle para que pudéssemos ter certeza de que o produto, quando se tratava do mercado, era perfeito para as demandas dos clientes".
Isso exigiu que a empresa encontrasse investidores que colocassem dinheiro nele, permitindo-lhe montar uma operação de fabricação. "Tivemos sorte", diz Averdung, enquanto vários investidores de apoio foram encontrados. Os principais acionistas da empresa agora incluem Equinor, Legal & General Capital, Goldwind e Meyer-Burger.
O dinheiro colocado na empresa pelos investidores possibilitou a atualização da fábrica de Brandenburg adquirida anteriormente e, além da linha piloto já lá, estabelecer uma linha de fabricação completa de células tandem em uma parte diferente da instalação.
Esta será a primeira linha de fabricação de volumes do mundo para células solares tandem perovskite-on-silicon e deverá atingir uma capacidade inicial de 100 megawatts (MW) em torno do segundo trimestre do próximo ano.
As células estão sendo vendidas para fabricantes de módulos (os arranjos já estão em vigor), e o mercado alvo inicial é o setor de telhados residenciais "premium". Neste segmento do mercado, o espaço é uma restrição crítica e o aumento da densidade de energia fornecida pela célula tandem Oxford PV é particularmente atraente.
Com muito mais eletricidade gerada ao longo da vida útil da instalação, há uma disposição de pagar prêmios substanciais por módulos de alta eficiência, acredita Oxford PV.
Averdung aponta que os custos das células representam uma proporção relativamente pequena dos custos totais de uma instalação de PV no telhado residencial, de modo que o aumento dos custos celulares tem apenas um efeito relativamente pequeno na economia global em comparação com os benefícios do aumento da produção.
Para a gigafactory
A linha de fabricação de 100 MW, e o mercado residencial de telhados, são vistos como apenas o começo. A visão de Oxford PV é um mundo totalmente elétrico com perovskites como uma tecnologia solar convencional. Espera-se que a última rodada de financiamento da empresa lhe dê "os meios para planejar o próximo passo, que é uma gigafactory", diz Averdung.
Ele espera ter 2 gigawatts (GW) de capacidade de produção em operação até o final de 2024 ou mais ou menos, e depois adicionar cerca de 2GW por ano, atingindo mais de 10GW até o final da década.
Inicialmente, o mercado-alvo é, como já observado, o telhado residencial premium, mas "isso vai mudar quando entrarmos na produção em escala GW, então poderemos abordar, além disso, o setor de telhados comerciais pequenos", diz Averdung, e "assim que passarmos para 5GW e além, a escala de utilidades está ao alcance".
Em escala de utilidade, "é tudo sobre LCOE", observa ele, "assumindo que o custo de sua terra é gerenciável", e com capacidade de produção de 5 GW "nosso LCOE será mais competitivo do que qualquer outro, mas isso levará alguns anos, é claro".
No final "pretendemos nos tornar um dos principais jogadores em fotovoltaica", diz Averdung. E dominar o que Chris Case chama de "magia" dos perovskites pode ser a chave para alcançar essa ambição.
