Painéis Fotovoltaicos Transparentes

Os painéis solares transparentes representam uma solução inovadora no campo da energia renovável, permitindo a geração de energia elétrica enquanto permitem a passagem da luz visível, o que abre um amplo espectro de aplicações na construção, arquitetura e eletrónica de consumo.

Tecnologia de células fotovoltaicas orgânicas

Células fotovoltaicas orgânicas (OPV) são dispositivos construídos com compostos contendo átomos de carbono, utilizando polímeros e pequenas moléculas orgânicas capazes de absorver a radiação solar e conduzir eletricidade. A estrutura de uma célula orgânica típica consiste em camadas colocadas entre eletrodos (incluindo um transparente), onde a camada ativa, que é uma mistura de compostos doadores e aceitadores de elétrons, desempenha um papel fundamental. O processo de fabricação envolve misturar moléculas doadoras e aceitadoras de elétrons com um solvente, criar uma fina camada ativa e evaporar eletrodos, dos quais o cátodo é geralmente uma camada de alumínio.

As células OPV destacam-se por inúmeras vantagens: são flexíveis, translúcidas, leves e podem conter uma camada absorvente de luz até 1000 vezes mais fina do que as células de silício. Apesar dessas vantagens, a tecnologia enfrenta desafios na forma de baixa eficiência, baixa estabilidade operacional e curta vida útil, principalmente devido à suscetibilidade à degradação sob a influência de umidade, oxigênio e luz solar. A pesquisa está focada em melhorar esses parâmetros, e os avanços mais recentes permitiram obter uma conversão de energia de quase 20%. Os cientistas estão trabalhando para entender o transporte de carga nessas células, descobrindo que a densidade de estados responsável por esse processo é mais complexa do que se pensava anteriormente.

Aplicações em fachadas de edifícios

Os painéis solares transparentes encontram uma aplicação particularmente promissora na fotovoltaica integrada em edifícios (BIPV), onde são integrados perfeitamente em elementos estruturais, como fachadas, telhados ou janelas. Essa tecnologia cumpre uma dupla função – é parte integrante do revestimento do edifício, ao mesmo tempo em que converte a energia solar em elétrica. Estima-se que apenas nos Estados Unidos existe um potencial de utilização de cerca de 7 bilhões de metros quadrados de superfícies de vidro, de janelas de casas a fachadas de arranha-céus, que poderiam ser desenvolvidas por células fotovoltaicas transparentes.

As aplicações práticas desta tecnologia incluem:

• Integração com fachadas de edifícios sem afetar negativamente a sua estética.
• Utilização em estufas, onde os painéis não só fornecem energia para aquecimento e iluminação, mas também reduzem os custos de energia (num dos projetos alemães em cerca de 20%).
• Instalação em janelas, telhados de vidro e elevações, onde os painéis tradicionais opacos não poderiam ser utilizados.
• Implementação em claraboias, onde a luz natural é essencial, mantendo ao mesmo tempo a função de geração de energia.

Eficiência de painéis translúcidos

A eficiência dos painéis fotovoltaicos translúcidos é um compromisso entre a transmissão de luz e a eficiência energética. Ao contrário dos painéis monocristalinos padrão, que atingem uma eficiência de 19-24%, os módulos translúcidos geralmente apresentam uma eficiência ligeiramente inferior devido à sua capacidade de transmitir parte da radiação solar. O modelo suíço CLI400M10, que utiliza 108 células monocristalinas TOPCon, é um exemplo de tecnologia avançada BIPV (Building Integrated Photovoltaics), que mantém alta eficiência apesar da construção translúcida.

Parâmetros chave que afetam a eficiência dos painéis translúcidos:

• Tecnologia de produção de células - as soluções monocristalinas oferecem a maior eficiência.
• Condições atmosféricas - a radiação solar e a temperatura afetam diretamente o ganho de energia.
• Durabilidade - painéis translúcidos de alta qualidade retêm até 88% da eficiência original após 30 anos de uso.
• Orientação e ângulo de inclinação - a instalação adequada pode aumentar significativamente a eficiência, com 1 kWp de potência nominal instalado corretamente a gerar cerca de 1000 kWh por ano em Portugal.

Otimização do crescimento das plantas

Os painéis fotovoltaicos translúcidos oferecem benefícios únicos para plantas em edifícios, especialmente em estufas. Estudos da Universidade Estadual da Carolina do Norte mostraram que a alface cultivada sob células solares orgânicas (ST-OSC) não apresentou diferenças significativas em parâmetros chave, como nível de antioxidantes, absorção de CO₂, tamanho e peso em comparação com plantas cultivadas em condições padrão. Isso ocorre porque esses painéis especializados absorvem principalmente comprimentos de onda de luz não utilizados pelas plantas no processo de fotossíntese.

Sistemas agrofotovoltaicos avançados otimizam ainda mais o crescimento das plantas através de:

• Conversão de radiação UV em espectro vermelho, mais benéfico para a fotossíntese, graças ao uso de nanotecnologia.
• Criação de um microclima favorável através do sombreamento parcial, que reduz o stress térmico das plantas.
• Regulação da temperatura em estufas, o que elimina a necessidade de aquecimento ou arrefecimento adicional.
• Aumento da produção de biomassa vegetal até 50% com o posicionamento adequado dos painéis.

Materiais Semicondutores Avançados

Os painéis fotovoltaicos transparentes utilizam materiais e tecnologias inovadoras que lhes permitem absorver seletivamente comprimentos de onda de luz invisíveis ao olho humano, permitindo ao mesmo tempo a passagem da luz visível. Os principais materiais utilizados nestas construções são óxido de índio e estanho (ITO), dissulfeto de tungsténio e sais orgânicos, que absorvem a radiação ultravioleta e infravermelha. Cientistas da Universidade Estadual de Michigan desenvolveram as primeiras células totalmente transparentes em 2014, usando compostos orgânicos para absorver comprimentos de onda invisíveis, o que permitiu que o vidro funcionasse como um vidro típico enquanto produzia energia.

Tecnologicamente, os painéis transparentes são divididos em vários tipos:

• Células solares de perovskite com uma ampla banda proibida, atuando como absorvedores UV eficientes.
• Células solares sensibilizadas por corantes absorvendo o infravermelho próximo (NIR).
• Células fotovoltaicas orgânicas (OPV) utilizando compostos de carbono, oferecendo flexibilidade e menor custo de produção.
• Sistemas tandem combinando diferentes tecnologias, atingindo uma eficiência de conversão de energia (PCE) de até 14% com uma transmissão média de luz visível (AVT) acima de 55%.

Os avanços mais recentes nesta área permitem a criação de células com transparência de até 80% com uma eficiência de até 8%, que visualmente se assemelha a uma janela de vidro duplo. Embora a eficiência atual dos painéis transparentes seja inferior às soluções tradicionais de silício, o seu potencial de aplicação e os trabalhos de investigação em curso sugerem um desenvolvimento significativo desta tecnologia nos próximos anos.