neste vídeo, exploraremos a nova tecnologia solar que está melhorando mais rapidamente do mundo e forneceremos um pico exclusivo dentro do laboratório de uma equipe que trabalha neste material inovador agora mesmo, enquanto você assiste a este vídeo, um reator de fusão gigante a 150 milhões de quilômetros de distância está irradiando o Terra sem tanta energia quanto toda a civilização humana usa em um ano, então por que não aproveitamos esta abundante fonte de energia renovável para atender a todas as necessidades energéticas da humanidade? painéis, seria necessário um canto relativamente pequeno de Nevada, Texas ou Utah, você só precisa de cerca de 160 por 160 quilômetros de painéis solares para abastecer todos os Estados Unidos. Atualmente, apenas 2 % da eletricidade global vem da energia solar e noventa por cento disso vem de painéis solares à base de silício cristalino, a tecnologia de material dominante, enquanto o silício abundante tem desvantagens relacionadas à eficiência, complexidade de fabricação e poluição que o impedem de ser um acéfalo absoluto, e se eu lhe falasse sobre um material que fosse mais leve, mais eficiente e mais simples de produzir a um custo menor, uma solução barata que pode tornar uma célula fotovoltaica tão fina que apenas meia xícara de líquido seria suficiente para abastecer uma casa, um painel solar é tão leve que pode ser equilibrado em cima de uma bolha de sabão que as pessoas são conhecidas como o Santo Graal da energia solar eles são chamados de perovskitas e podem revolucionar a forma como os humanos geram energia a partir da luz solar, fomos ao Vale do Silício para conhecer Joel Gene, o CEO da Swift Solar, uma das equipes líderes que trabalham para trazer à luz a tecnologia solar da perovskita [Música ] é um novo tipo de tecnologia de filme fino, então você provavelmente já ouviu falar disso há muito tempo, diferentes tipos de filmes finos surgiram e desapareceram ao longo dos anos, o que fazemos aqui é um novo tipo de material chamado perovskitas, novo material semicondutor que absorve a luz de maneira realmente eficaz e também transporta carga, então acaba sendo um material muito eficiente para células solares.
As tecnologias de células solares podem ser classificadas em duas categorias: células baseadas em wafer ou células de filme fino. geralmente são protegidos por um material como o vidro, essas são as células de silício cristalino que você normalmente encontrará em painéis solares volumosos montados em telhados. as células de filme fino são feitas depositando finas camadas de filmes semicondutores em um substrato de vidro, plástico ou metal e usam de dez a mil vezes menos material do que as células de silício cristalino, essas células de película fina são leves e flexíveis, mas têm eficiências médias mais baixas, você pode fabricar células de película fina a partir de silício amorfo ou de materiais mais complexos, como telureto de cádmio, mas os cientistas estão em busca de melhores tecnologias solares de película fina que pode ver um uso mais difundido esses materiais são conhecidos como filmes finos emergentes atualmente as perovskitas são o principal concorrente o que você poderia fazer com um painel solar com desempenho cem vezes maior em relação ao peso dos painéis de silício convencionais um material solar tão abundante que poderia ser pintado arranha-céus células flexíveis, leves e altamente eficientes podem abrir uma ampla gama de aplicações onde as células de silício tradicionais são muito pesadas e rígidas, mas antes de cobrirmos a xadrez do seu modelo tesla em perovskita solar, o que exatamente é esse cristal revolucionário, a estrutura do cristal de perovskita foi descoberta pela primeira vez como o óxido de titânio de cálcio mineral de ocorrência natural, mas as perovskitas usadas em células solares não precisam ser extraídas da terra uma perovskita é qualquer material com uma estrutura cristalina seguindo a fórmula abx-3 onde a e b são dois íons carregados positivamente, muitas vezes de diferentes tamanhos e x é um íon com carga negativa, os cientistas percebem que poderiam criar uma gama diversificada de cristais de perovskita feitos pelo homem seguindo o mesmo arranjo que tem propriedades muito úteis, então usamos sais de haleto de metal básicos, você sabe, coisas como iodeto de chumbo ou alguns alguns sais orgânicos também e nós os combinamos para fazer essas perovskitas híbridas orgânicas inorgânicas, então se você puder formá-los em solução, você pode formá-los no vácuo em uma fase de vapor e eles se condensam formando esses cristais de perovskita e o fino filmes eles são como multicristalinos, o que significa que há um monte de pequenos domínios de cristal, eles acabam sendo semicondutores realmente bons, então quão eficientes são as células solares de perovskita, os painéis solares de silício modernos mais eficientes que você encontraria em uma casa só funcionam melhor com eficiência em torno de 20, mas a eficiência de conversão teórica das tecnologias solares de junção única é de cerca de 33, chamada de limite do quasar shockley, que é o limite fundamental para uma única célula solar.
Perovskitas de célula solar baseadas em material único são exatamente a mesma coisa perovskitas de silício telureto de cádmio cigs, todas essas tecnologias têm o mesmo limite, mas as células solares de perovskita podem ser fabricadas em um formato capaz de atingir limites de eficiência muito mais altos, ampliando os limites da possibilidade da energia solar, para entender por que as perovskitas têm uma vantagem sobre as células solares de silício tradicionais, vamos primeiro fazer uma atualização básica de como as células fotovoltaicas convertem a luz solar em eletricidade [Música] as partes superior e inferior de uma célula solar contêm materiais semicondutores com propriedades elétricas diferentes em uma célula de silício tradicional, por exemplo, o silício é usado para ambas as camadas, mas cada camada é modificada ou dopada com pequenas quantidades de elementos diferentes para criar diferentes cargas elétricas, a porção que contém uma maior concentração de elétrons livres carregados negativamente é chamada de região do tipo n e o lado que contém buracos com carga mais positiva ou elétrons ausentes é conhecido como região do tipo p.
a fronteira entre essas duas camadas é conhecida como junção pn, quando um material do tipo n e do tipo p são colocados em contato com elétrons livres do material do tipo n e buracos livres do material do tipo p se movem através da fronteira e cancelam cada um caso contrário, os elétrons preenchem os buracos, isso revela as cargas fixas positivas e negativas dos íons dopantes, o que cria um campo elétrico embutido que impede que mais elétrons e buracos se movam através da fronteira, esse campo elétrico corresponde a uma tensão embutida e atua como uma válvula unidirecional para portadores de carga a unidade fundamental da luz é o fóton que representa o menor pacote de radiação eletromagnética de um determinado comprimento de onda quando um fóton da luz solar atinge uma célula solar e é absorvido, criando um elétron livre extra e um buraco que são separados pelo campo elétrico e puxados para lados opostos da célula, isso cria uma fotocorrente se os eletrodos forem fixados em ambos os lados da célula formando o circuito elétrico, uma corrente elétrica fluirá enquanto o sol brilhar a magia da perovskita cristais reside em sua capacidade de personalização células solares de junção única podem absorver apenas uma parte do espectro solar dependendo do material semicondutor que usam a menor energia de luz que pode ser absorvida em um semicondutor é chamada de band gap um semicondutor não absorverá fótons de energia menos do que o bandgap e a energia útil que pode ser extraída de um fóton não é maior do que a energia do band gap, isso significa que grande parte da energia e da luz solar são desperdiçadas quando atingem uma única célula solar de junção, mas porque o bandgap das perovskitas pode ser facilmente alterado, você pode empilhar camadas de perovskita umas sobre as outras que são quimicamente ajustadas para absorver diferentes partes do espectro solar, isso resulta em uma célula solar com múltiplas junções pn que pode produzir eletricidade a partir de uma faixa mais ampla de comprimentos de onda de luz ou extrair mais energia de cada fóton melhora a eficiência da célula, então quando você empilha duas células solares uma sobre a outra, isso é chamado de célula solar tandem ou multijunção e quando você faz isso, isso realmente aumenta o limite de eficiência de 30 para mais de 40, cerca de 45 ou 46 teoricamente, um número infinito de junções teria uma eficiência limite de 86,8 por cento sob luz solar altamente concentrada e aumenta com mais camadas, mas também se torna mais caro e você obtém retornos decrescentes, então geralmente falamos em fazer duas camadas ou fazer um tandem e isso é tipo de verdadeiro ponto de venda das perovskitas, então os tandems de perovskita convertem mais energia do sol em eletricidade, em vez de desperdiçá-la como excesso de calor, quais são as porcentagens exatas de eficiência das quais estamos falando aqui, não devemos esperar células solares com eficiência acima de 40 deste tipo da célula solar por um longo tempo, acho que em teoria poderia chegar lá, mas realisticamente acho que na década de 30 é factível, o que ainda é um salto substancial, você sabe o que vê no mercado hoje, não é apenas o desempenho que melhorou a natureza das perovskitas também permitem vantagens de fabricação, então você só precisa de menos de um por cento do material necessário para uma célula de silício absorver toda a luz solar, então, em teoria, você pode economizar dinheiro, basicamente pode tornar esse material muito mais barato, o que é legal sobre as perovskitas é que elas acontecem mesmo sendo feitas desse tipo de material não perfeito, você pode realmente fazer uma célula solar muito eficiente, ela é formada em baixas temperaturas silício geralmente você tem que cristalizar em algo como 1400 graus Celsius com perovskitas você pode formar a menos de 100 graus Celsius, o que significa que você pode realmente usar equipamentos menores e pode usar processos químicos mais padrão e pode formar essas células solares em coisas como plásticos, então coisas que derreteriam sob altas temperaturas você pode realmente use para fazer células solares, para que você possa fazer algo realmente leve e flexível, também filmes finos de perovskita podem ser feitos sintetizando uma espécie de tinta solar e aquecendo-a suavemente até que as perovskitas se cristalizem como cristais de sal emergindo da evaporação da água do mar, agora vamos mais fundo ao laboratório para dar uma espiada rara e exclusiva nos bastidores para ver como as células solares de perovskita são feitas, sim, então esse cara é chamado de evaporador térmico, então é um dos muitos tipos de ferramentas de deposição que usamos para colocar filmes finos então, quando você olha para uma célula solar de perovskita, é como qualquer outro dispositivo de película fina, como um led orgânico ou uma célula solar de telureto de cádmio, ela tem muitas camadas semicondutoras de película fina e uma das maneiras de depositar algumas dessas camadas é usando técnicas como evaporação térmica onde você aquece um material de origem ou talvez seja prata ou talvez seja um precursor de um de seus semicondutores e você o derrete, você o evapora e então você tem uma superfície fria na qual você condensa e essa superfície fria é na verdade apenas em temperatura ambiente é uma folha de plástico ou de vidro ou até mesmo um wafer de silício que você está tentando depositar um filme no substrato fica bem no topo da câmara está sob alto vácuo e você evapora novamente esse material e ele se condensa e se forma este filme fino uniforme e você faz isso muitas vezes com diferentes tipos de técnicas e isso lhe dá sua célula solar, você também pode fazer células de perovskita com deposição de eletrodo de impressão em tela de revestimento giratório ou até mesmo imprimir o material em uma folha como uma impressora jato de tinta aqui está o resultado final é uma pequena célula solar retangular de perovskita, então este é o lado que está voltado para o sol correto e esta é a parte de trás da célula, sim, o lado voltado para o sol é na verdade você está olhando através do vidro e do outro lado disso vidro, há uma camada de perovskita meio que imprensada entre os contatos, então os contatos puxarão a carga para fora da perovskita, então há um condutor transparente naquele próximo ao lado mais próximo de nós, então há o proskate um e então do outro lado se você olha para ele e sabe que na parte de trás há esses eletrodos de prata, pode haver qualquer tipo diferente de metal, mas esse lado não precisa ser transparente porque você realmente quer que a luz reflita de volta para o semicondutor e não passe por estes células solares são apenas amostras de laboratório projetadas para testar diferentes fórmulas de perovskita e você pode ver que essas diferentes almofadas, cada um desses quadrados é uma célula solar, então temos seis células solares diferentes em um substrato para fins de pesquisa para testar o Swift Solar está tentando criar uma célula solar de perovskita com uma mistura perfeita de longevidade e eficiência pronta para comercialização, então como você testa as células se for um dia nublado, o sol pode não ser confiável, mesmo na Califórnia, na verdade usamos esta máquina aqui, então esta é chamada um simulador solar, então na verdade é apenas um sol falso, é um conjunto de LED que basicamente tem todas as cores, basicamente, tem muitas cores diferentes de LEDs, algo como 20 cores de LED diferentes em um conjunto com óptica para torná-lo realmente uniforme, então a ideia está aqui, não queremos ter que levar nossas células solares para fora e testar, você sabe se está chovendo, não podemos nos testar o que são essas aqui são essas as placas de circuito no painel solar que medem a tensão quando os painéis solares estão ligados em cima deles, sim, ele mede a tensão e a corrente, então isso é, hum, você pode ver que tem o mesmo formato e tem um monte de almofadas lá e cada uma delas é basicamente leva a extrair a corrente ou medir, sim, para meça a voltagem ou aplique voltagem para que você possa ver que podemos fazer 20 deles de uma vez e basicamente se move automaticamente para testar as células, cada uma delas individualmente.
As perovskitas melhoraram muito desde que os cientistas começaram a testá-las e agora estão começando a superar mono e células de silício policristalino em eficiência de conversão à medida que as perovskitas começam a entrar em uso comercial, onde é mais provável que as vejamos primeiro? Todas as aplicações solares tradicionais em seu telhado, no campo, em algum lugar no deserto, em telhados comerciais, em telhados residenciais, como se todos esses fossem um jogo justo no futuro, talvez os caras não estejam prontos para esse tipo de horário nobre, mas a estabilidade ainda é um desafio, como se você estivesse fazendo com que eles durassem 25 anos, não podemos, ninguém pode dizer isso, mas com confiança, não temos os dados de campo para provar isso, então há muito trabalho de engenharia e ciência a ser feito para chegar a esse ponto, mas há muitas aplicações onde você não precisa de 25 anos de vida, como um carro, talvez só precise de 10 ou 15 anos, há coisas como drones de alta altitude, certos, que serão totalmente alimentados por energia solar, você sabe que eles estão voando na estratosfera a 65.000 pés, transmitindo internet, então esse tipo de coisa precisa de energia solar muito, muito leve, precisa de energia solar muito eficiente, não não precisa de uma vida de 25 anos, talvez você só precise de alguns anos, cinco anos, então esse tipo de coisa que você pode imaginar sendo alimentada por perovskitas muito em breve, o mesmo com relógios de pulso solares ou pequenos dispositivos de internet das coisas, há muitos desses tipos de dispositivos móveis aplicações onde você pode imaginar talvez caras entrando no mercado e, eventualmente, melhorando em direção ao telhado em direção às aplicações em escala de utilidade, então quais são exatamente os desafios que estão impedindo as perovskitas de dominar o cenário da energia solar e mudar tudo o que gastamos muito de tempo neste laboratório realmente trabalhando nos desafios de desenvolver esta tecnologia até um ponto em que ela esteja pronta para produção para expansão, há coisas como estabilidade, que é provavelmente o principal problema das perovskitas, é como fazer essas células durarem efetivamente por anos em o campo sob altas temperaturas o teto do carro pode chegar a 80 graus Celsius ou mais em um dia quente, então você precisa ser capaz de sobreviver a essas temperaturas por anos a fio e acho que tentamos fazer, fazemos muitos testes e iteração nos materiais do dispositivo empilhar a pilha de materiais que usamos no design do próprio dispositivo na embalagem para garantir que possamos sobreviver a esse tipo de temperatura alta umidade os diferentes tipos de ambientes que você enfrenta ao ar livre a relativa fragilidade do o material perovskita requer proteção para proteger a camada semicondutora de tensões e degradação ambientais os padrões internacionais para painéis solares terrestres exigem testes severos que simulam 25 anos de permanência ao ar livre nesses testes os painéis são aquecidos e até mesmo atingidos por pedras de granizo simuladas o problema com perovskitas é que eles ainda são relativamente novos, podemos submetê-los a esses duros testes simulados que nos dão uma boa ideia de sua longevidade, mas ainda não temos os dados do mundo real, como temos para os painéis de silício que estão em uso há décadas as perovskitas [músicas] ainda estão na fase de pesquisa e desenvolvimento do ciclo de vida da tecnologia, há muitas equipes em todo o mundo trabalhando para melhorar sua eficiência e estabilidade para levá-las à adoção comercial, as matérias-primas para as perovskitas são abundantes em todo o mundo mundo e as células solares podem ser feitas usando processos de fabricação relativamente simples, isso significa que as perovskitas podem crescer rapidamente quando estiverem prontas para comercialização no mercado de massa, estima-se que os painéis de perovskita podem custar até 15 vezes menos por watt do que os modernos painéis solares comerciais de silício além disso, os materiais de perovskita projetados absorvem todas as partes do espectro solar de forma eficiente para produzir a maior potência possível e os filmes ultrafinos abrem a porta para novos formatos de produtos com relações potência-peso sem precedentes e alta flexibilidade.
Porta para uma variedade de casos de uso onde a tecnologia fotovoltaica atual ainda não faz sentido e quanto a esses iates elétricos que filmei para vídeos anteriores do futuro elétrico, seu alcance poderia ser radicalmente melhorado com painéis solares de perovskita integrados leves e de maior eficiência, poderíamos ver painéis solares integrados em caminhões ônibus e carros e quaisquer outras aplicações onde a luz solar ainda não é considerada suficientemente densa em energia para fornecer energia significativa imagine edifícios cobertos por janelas de vidro fotovoltaico transparente que geram eletricidade é difícil prever o futuro da energia solar enquanto as perovskitas são promissoras pesquisadores sérios evitam ter favoritos em vez disso eles veja todas as tecnologias objetivamente com base no aumento da eficiência uso reduzido de materiais redução da complexidade e custo de fabricação a energia solar fotovoltaica é a tecnologia de energia que mais cresce no mundo atualmente e uma das principais candidatas à geração de eletricidade livre de carbono em escala de terawatts em nossa vida se você quiser entender melhor alguns dos conceitos que apresentamos neste vídeo é importante primeiro aprender os fundamentos da energia solar brilhante faz um ótimo trabalho ao pegar a ciência complicada e dividi-la em pedaços pequenos com explorações interativas divertidas e desafiadoras dominar os conceitos compreender os princípios fundamentais e Desenvolva sua intuição para que você possa realmente entender essas tecnologias inovadoras.
Fiz cursos brilhantes sobre eletricidade, magnetismo e energia solar e fiquei impressionado com o quão bem eles estruturaram suas aulas com exemplos de analogias inteligentes e questionários para testar seu conhecimento. outros conteúdos e tópicos, desde fundamentos matemáticos a finanças quantitativas, do pensamento científico à relatividade especial, da programação com python ao aprendizado de máquina, acesse brilhante.org futuro elétrico e inscreva-se gratuitamente e também as primeiras 200 pessoas a acessarem esse link receberão 20 de desconto a assinatura premium anual mostramos tecnologia sustentável de ponta se você gostou deste vídeo dê um like e se inscreva em nosso canal você pode estar interessado em assistir um desses vídeos no próximo obrigado por assistir e deixe os volts estarem com você [Música] você
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