O problema com painéis solares

A indústria de energia solar enfrentar um potencial Calcanhar de Aquiles: sua dependência da prata. Sendo um metal precioso e caro, a prata desempenha um papel crucial em quase todos os tipos de painéis solares. Com a produção global de energia solar ultrapassando o nível dos terawatts, a sustentabilidade deste crescimento está agora ameaçada pela escassez e pelo custo da prata. Uma possível alternativa existe em painéis à base de cobre, quebrando recordes mundiais de eficiência e mostrando potencial promissor. No entanto, os fabricantes hesitam em substituir a prata pelo cobre. A indústria de energia solar podesupere o desafiodesafios representados por resistores de cobre e nos fornecer painéis solares mais acessíveis e eficientes? Vamos explorar esta jornada complexa e intrincada.

Serigrafia

Desde a década de 1970, a serigrafia tem sido o método tradicional de fabricação de células solares de silício, constituindo cerca de 85% a 90% da produção. Análogo à impressão de um logotipo em uma camiseta, esse método envolve a colocação de uma tela nas costas do wafer de silício. A máquina deposita uma camada de pasta prateada na tela e um raspador a pressiona. O wafer passa por secagem, queima e inversão, repetindo o processo do outro lado. Embora econômico, o desafio está nos materiais utilizados. A prata constitui aproximadamente 10% dos custos de fabricação e utiliza cerca de 15% da prata extraída no mundo. Com o avanço da energia solar, a demanda global por prata aumentou. Várias tecnologias em evolução disputam a prata, incluindo infraestrutura 5G, veículos elétricos e outros produtos eletrónicos de consumo que saturam o mercado. Os cientistas levantaram preocupações já em 2013, observando que o rápido crescimento da procura tanto de energia solar como de prata está prestes a aumentar significativamente o custo da energia solar.

Embora a energia solar esteja ficando mais barata,Os preços da prata estão subindo rapidamente. A Silver Association revelou que a procura global por prata em 2021 atingiu um máximo recorde desde 2015, com os preços a subirem 22% em termos anuais, atingindo o máximo em nove anos de 25,14 dólares por onça troy. Em contraste, os preços do cobre em 2021 foram de aproximadamente US$ 0,29 por onça troy. Embora alguns possam considerar a reciclagem da prata, um estudo de dezembro de 2022 sugere que ainda não é viável devido à prata insuficiente para a aposentadoria. A longevidade dos painéis solares tem aspectos positivos e negativos. Além disso, o processo de reciclagem é trabalhoso, exigindo a desmontagem do painel e tratamento químico para remoção da prata. Embora a reciclagem seja benéfica a longo prazo, poderá não ser viável nas próximas décadas.

Agora, vamos considerar o cobre – uma alternativa com condutividade comparável, mas com custos significativamente mais baixos. Dois caminhos de conversão essenciais se destacam: 1) substituir a pasta de prata por pasta de cobre na serigrafia e 2) adotar o design de células solares de contato incorporadas em vez da serigrafia. A mudança para o cobre traz benefícios como alcançar um recorde mundial de eficiência de células solares e utilizar materiais abundantes e mais acessíveis. Nos últimos anos, várias empresas, inspiradas pelos pioneiros australianos Stuart Wenham e Martin Green, fizeram progressos notáveis. Sua patente de 1985 para células solares de contato enterradas marcou uma melhoria significativa. Para compreender essas melhorias, vamos delinear algumas estruturas importantes dos painéis solares. O padrão em forma de grade na frente do painel é o ponto de contato superior, normalmente apresentando prata. Esses fios metálicos coletam a eletricidade gerada pela bateria. As linhas horizontais mais finas, conhecidas como “dedos”, transmitem corrente para linhas verticais mais grossas chamadas “barramentos”. Idealmente, os dedos fotovoltaicos estão bem comprimidos e tão estreitos quanto possível.

Lamentavelmente, a produção de dedos finos envolve custos substanciais. Como resultado, dedos mais largos na serigrafia têm uma desvantagem significativa: uma diminuição de 10% a 15% na produção de energia devido à perda de mascaramento. As lentes de contato incorporadas oferecem uma solução elegante com dedos mais profundos do que a largura. As ranhuras cortadas a laser no silício são preenchidas com cobre, resultando em mais metal nos dedos e menos metal obstruindo a superfície. Esta inovação reduz a perda de sombreamento para 2% a 3%. Em última análise, a eficiência dos painéis solares de contato incorporados supera a dos equivalentes impressos em tela em 25%.

Em 1991, as células experimentais de Wenham e Green com contatos incorporados alcançaram uma eficiência recorde de 24,7%, e as células comerciais atingiram 20% de eficiência. No entanto, a sua adoção generalizada enfrentou desafios. Entra em cena o “Rei Sol” Shi Zhenrong, que fundou a Suntech Power em 2001. Apesar de atingir um recorde mundial de eficiência de 20,3% para células metalizadas com cobre em 2012, a Suntech enfrentou a falência em março do ano seguinte. Este destino não foi único; A BP Solar, que utiliza células de contacto enterradas através de laser nos seus componentes Saturn, também enfrentou a falência em 2011. A questão permanece: se o cobre é tão promissor, porque é que estas empresas faliram?

Um fator significativo que contribui para esse desafio é o custo. Painéis solares prateados são mais econômicos de fabricar. Embora o cobre seja uma matéria-prima mais barata que a prata, a sua fraca adesão aos painéis solares tem sido um problema persistente para cientistas e profissionais. Os painéis solares são projetados para durar 25 anos ou mais, suportando diversas condições climáticas. No entanto, o cobre tem tendência a descamar, comprometendo potencialmente a confiabilidade das células revestidas de cobre. Esta apreensão explica a hesitação dos fabricantes na transição. O desempenho é outra preocupação crítica. Embora dedos mais estreitos nas células de cobre aumentem a eficiência ao reduzir o sombreamento, o risco de difusão do cobre no silício subjacente representa uma ameaça. A difusão do cobre pode converter o silício semicondutor em um condutor, causando curtos-circuitos no painel. Isto introduz riscos adicionais que normalmente não estão associados a um produto bem estabelecido. O estabelecimento de barreiras de difusão eficazes é complexo e pode implicar custos de produção adicionais. Furthermore, concerns exist regarding how copper oxidation can limit conductivity.

Enfrentar esses desafios na engenharia envolve incorporar etapas adicionais e alocar mais recursos no processo de fabricação. Esta complexidade constitui o principal obstáculo, contribuindo para a adoção limitada do cobre e para as dificuldades enfrentadas pela BP e pela Suntech. Embora a BP Solar tenha comercializado com sucesso os seus painéis Saturn, a decisão de cessar a produção resultou da concorrência com prata serigrafada de baixo custo. À medida que a tecnologia avançava, a prata serigrafada tornou-se mais acessível. Apesar de um estudo de 2014 ter indicado a durabilidade do design de contactos incorporados da BP, factores económicos influenciaram as escolhas de produção.

Surge a questão: poderá o cobre superar estes desafios, especialmente tendo em conta os actuais riscos elevados? Shi Zhenrong expressa otimismo. Dois anos após a falência da Suntech, ele liderou um investimento na recém-criada startup SunDrive. Com sede em Sydney, a empresa concentra-se em placas de cobre. O supervisor Lennon, determinado a agilizar o projeto, abandonou o curso de doutorado, dedicando-se a experimentos de garagem. Após inúmeras tentativas, ele desenvolveu um método para anexar cobre às células solares. Cofundando a SunDrive com seus colegas de quarto, eles solicitaram uma patente em 2015. Em setembro de 2022, a empresa alcançou uma eficiência de painel de 26,41%, quebrando o recorde mundial de células solares de silício comerciais.

Se a empresa conseguir uma produção em larga escala, a perspectiva de utilização de sucata de prata torna-se viável, levando potencialmente a reduções significativas nos preços ao consumidor. Se a história se repete, deixando o cobre de lado, permanece incerto. A resposta pode não estar longe, uma vez que a empresa planeia estabelecer uma linha de produção piloto em 2023. Os desafios históricos dos painéis à base de cobre, abordando questões como a oxidação e a difusão, sugerem que esta pode não ser uma solução universal. A ameaça iminente do aumento dos preços da prata poderá obrigar os fabricantes a tomar medidas decisivas. Quais são seus pensamentos? Ainda está pensando? O cobre é a solução evidente? Que alternativas solares sustentáveis estão disponíveis?