Como os painéis solares passaram dos satélites dos anos 50 para o seu quintal

Os painéis solares estão rapidamente se tornando uma visão comum nas residências, mas antigamente eram pouco mais do que uma curiosidade rara. Como passamos do uso de energia solar em satélites para que ela se tornasse a fonte de eletricidade mais acessível? Há algo em sua trajetória histórica que possa sugerir o próximo rumo?

Para aprofundar essas questões interessantes, conversamos com o cara que escreveu o livro sobre a história da energia solar , John Perlin. A história pela qual ele nos conduziu teve algumas reviravoltas inesperadas.

Como funcionam os painéis solares?

Vamos começar com o básico da energia fotovoltaica. Acredite em mim, este é um contexto útil para explicar como a tecnologia evoluiu ao longo do tempo.

Fundamentalmente, a eletricidade é o fluxo de elétrons. Algumas moléculas estão faltando elétrons em comparação com seu estado estável. Outras moléculas têm muitos elétrons. Com energia suficiente, os elétrons podem saltar de uma molécula com muitos e para outra com muito poucos. Esse movimento de elétrons pode se tornar uma corrente elétrica.

Os painéis solares aproveitam isso tendo um wafer de silício com muitos elétrons (chamado de tipo N porque os elétrons introduzem uma carga negativa) imprensado em cima de outro com poucos (chamado de tipo P porque é efetivamente carregado positivamente). Quando a luz solar atinge a camada do tipo N, o painel pode absorver energia suficiente para desalojar o excesso de elétrons. No início, esses elétrons irão direto para o tipo P para preencher quaisquer lacunas disponíveis, mas essas lacunas são preenchidas muito rapidamente. Isso deixa uma área esgotada onde as duas camadas se encontram. Os buracos de elétrons próximos são preenchidos e mais elétrons não conseguem passar facilmente.

Felizmente, existe uma rota alternativa. Acontece que seguir esse caminho irá alimentar todas as nossas coisas no processo. Tiras condutoras finas são aplicadas ao longo da parte superior da camada do tipo N para enviar elétrons por esse caminho.

Depois de ser retirado da camada superior de silício, um elétron passa por um inversor, que transforma a corrente contínua em uma corrente alternada que pode ser usada em dispositivos do dia a dia. Então o elétron é executado em tudo o que precisa de eletricidade.

Após o elétron ter feito seu trabalho, o circuito é concluído quando ele retorna à camada inferior do silício. Fora da área de depleção, a camada do tipo P ainda possui poucos elétrons e está pronta para receber na outra extremidade. As coisas podem terminar aí com os elétrons finalmente encontrando seu lar, mas a camada do tipo N de um painel solar é fina o suficiente para que a luz possa alcançar o tipo P, desalojar os elétrons de lá e empurrá-los de volta ao nível superior para ir. passar por todo o processo novamente.

Se você quiser se aprofundar mais, temos uma explicação mais longa sobre como os painéis solares funcionam aqui .

Um começo difícil

O primeiro painel solar fotovoltaico registrado foi instalado na cidade de Nova York em 1884 por Charles Fritts. Foi construída com base no trabalho do físico francês Edmond Becquerel, que havia feito a primeira célula solar individual poucos anos antes. O painel de Fritts não era muito eficiente, capturando apenas 1% da energia solar como eletricidade.

Outro inventor, George Cove, adotou uma abordagem diferente. Em vez de usar a luz do sol, sua máquina usou o calor do sol para gerar corrente elétrica. Esse conceito não era novo na época, mas a teoria ainda é usada hoje em dia com geradores termoelétricos. Parece que Cove assumiu o laboratório de Fritts , mas isso durou pouco. O trabalho de Cove foi marcado por polêmica.

Após um investimento externo significativo na sua empresa de energia solar, Cove foi raptado por capitalistas americanos com o objectivo de o fazer parar o seu trabalho. Isso pode ter algo a ver com as alegações de que o seu painel solar estava, na verdade, apenas extraindo energia da rede elétrica, em vez de gerar energia própria, constituindo fraude. Outros acham que Cove não foi realmente sequestrado e simplesmente buscou publicidade. Também pode ter sido obra de concorrentes nervosos, cujos negócios dependiam da energia proveniente de combustíveis fósseis.

Seja qual for o caso, em 1911, a ascensão do carvão e do petróleo enterrou a promessa destes primeiros painéis solares nas décadas seguintes.

Einstein muda tudo

Einstein clássico, destruindo tudo o que sabemos. Antes de ele aparecer, com os cachos rijos flutuando na brisa, era geralmente aceito que a luz agia como uma onda. Por exemplo, a luz proveniente de duas fontes diferentes não reflete uma na outra, como seria o caso se a luz fosse uma partícula. A luz de qualquer fonte simplesmente passa uma pela outra, como uma onda.

Einstein, entretanto, conseguiu provar que a luz atua tanto como partícula quanto como onda. Ele fez isso observando como um metal reagia quando submetido à luz em determinados comprimentos de onda. Em suma, ele demonstrou que alguns tipos de luz tinham propriedades de partícula suficientes para deslocar elétrons de metais.

As implicações para os painéis solares foram enormes. Einstein mostrou que comprimentos de onda mais curtos carregavam energia mais alta. No entanto, esse comprimento de onda mais curto não penetrou tão profundamente no material. Isso significava que os painéis solares precisavam ter seus elementos mais ativos (como onde a camada do tipo P e a camada do tipo N se encontram) mais próximos da superfície para que as partículas de luz, os fótons, pudessem eliminar os elétrons nessa junção. O potencial para melhoria da eficiência reacendeu o interesse pela tecnologia solar.

Silício recebe uma atualização

A promessa dos painéis solares ressurgiu no mundo das telecomunicações . Na década de 1950, a Bell Labs foi encarregada de encontrar uma alternativa às baterias secas que se degradavam constantemente em climas tropicais e afetavam o serviço telefônico local. O pesquisador principal, Daryl Chapin, começou a explorar a energia solar como uma solução.

A palavra “doping” não tem exatamente uma conotação positiva, mas foi um avanço importante na tecnologia de painéis solares. Naquele ponto, os semicondutores de painéis solares eram bastante limitados. O elemento selênio estava sendo usado e ainda não era eficiente o suficiente para ser prático. Após algumas experiências, o Bell Labs descobriu que a introdução de impurezas no silício melhorava significativamente seu desempenho como semicondutor.

Verificou-se que a adição (ou dopagem) da camada superior de silício com fósforo adicionava muito mais elétrons à mistura. Da mesma forma, adicionar boro à camada inferior adicionou mais lacunas de elétrons para preencher. Essa maior disparidade nas cargas aumentou o fluxo de elétrons entre as duas camadas onde se encontravam. Com eficiência de 6%, os painéis solares estavam finalmente prontos para uso no mundo real.

A corrida espacial

Bem, talvez um pouco fora deste mundo. Neste ponto, os soviéticos e os americanos estavam presos na corrida espacial. Os satélites foram lançados, mas a sua vida útil foi limitada a semanas pelas baterias com que foram lançados. O governo dos EUA estava interessado em financiar soluções que os colocassem à frente na Guerra Fria. Um ex-nazista, Hans Ziegler, veio para os EUA sob os auspícios da Operação Paperclip. Paperclip era um programa secreto americano que visava trazer cientistas alemães para o grupo após a Segunda Guerra Mundial, evitando ao mesmo tempo as proibições domésticas aos imigrantes nazistas.

“A ironia de toda essa história é considerar a célula solar como algo hippie. Na verdade, foi impulsionado pelo complexo militar-industrial na América.” -John Perlin

Ziegler procurou introduzir células solares em satélites. Apesar do cepticismo interno, o primeiro teste de Ziegler no satélite Vanguard 1 foi aprovado e lançado em 1958. Embora a missão estivesse programada para durar 90 dias, foi capaz de comunicar com a Terra durante mais de seis anos graças aos seus painéis solares. O Vanguard 1 ainda está em órbita hoje. A defesa da energia solar foi defendida e rapidamente se tornou o padrão para todos os lançamentos de satélites no futuro.

Grandes petrolíferas apostam na energia solar

A Exxon tem a reputação de arqui-inimiga do movimento climático, e é por isso que foi tão surpreendente quando Perlin nos disse que a Exxon implantou o primeiro lançamento comercial de painéis solares terrestres.

A Exxon tinha uma infinidade de perfurações offshore e outras operações remotas que precisavam de energia. Muitos deles dependiam de baterias primárias que eram bastante caras e não podiam ser recarregadas. Às vezes, as células eram jogadas no oceano quando se esgotavam. A certa altura, um monte desse lixo eletrônico apareceu nas costas de Houston, o que, compreensivelmente, irritou algumas pessoas.

Na esteira desta controvérsia, a Exxon foi à procura de alternativas. O pesquisador Elliot Berman vinha promovendo amplamente a energia solar e, depois de trabalhar com a Exxon para explorar a oportunidade, foi escolhido para dirigir a subsidiária solar de propriedade integral da Exxon, a Solar Power Corporation. Aqui, Berman desenvolveu uma ótima maneira de reduzir custos. A maior parte do silício foi produzida pela fundição de quartzo (areia) em um grande lingote e, em seguida, raspando wafers dele. Esse processo criou uma estrutura atômica monocristalina eficiente na produção de energia solar, mas havia outra opção.

Berman queria capitalizar painéis solares que não serviam para viagens espaciais. Ele conseguiu aproveitar esse estoque e gerar silício policristalino combinando restos de silício. Ele também foi capaz de usar silício da indústria eletrônica em geral. O policristalino resultante não era tão eficiente quanto os painéis solares monocristalinos devido à confusão de crescimento do cristal, mas era cerca de cinco vezes mais barato de fabricar.

Com o uso bem-sucedido da energia solar estabelecido no espaço e os custos reduzidos graças ao trabalho de Berman, a Exxon começou a testar painéis solares em suas plataformas. Com certeza, a energia solar funcionou muito bem. Não demorou muito para que outras indústrias percebessem e começassem a adotar a energia solar para outras operações remotas.

A independência energética da América

O papel do petróleo no avanço da energia solar ainda não acabou. A restrição global do fornecimento de petróleo pela OPEP em 1973 fez com que os EUA procurassem formas de reduzir a dependência de um mercado volátil do Médio Oriente. Embora a Exxon estivesse a trabalhar activamente para diversificar, na possibilidade de não conseguir permanecer no negócio do petróleo, a energia solar estava abaixo das prioridades do governo.

Apesar de toda a imprensa que Jimmy Carter recebeu por colocar um aquecedor solar de água no topo da Casa Branca, ele ainda tinha experiência como engenheiro nuclear. Embora tenha promovido a energia solar juntamente com a conservação de energia como meio para a independência energética, as suas políticas favoreceram fortemente a energia nuclear e o carvão. Carter até rejeitou pedidos dos militares para adotar a energia solar para suas próprias necessidades de operação remota. Os Bell Labs encontraram ventos contrários semelhantes nos anos 50, quando o programa Átomos para a Paz de Eisenhower promoveu a energia nuclear como o caminho do futuro.

Em última análise, a América acabou por encontrar maiores reservas internas de petróleo e teve um excedente significativo durante os anos 80.

China intervém

Até este ponto, a América havia se estabelecido como o epicentro do desenvolvimento de painéis solares. Afinal de contas, os americanos foram pioneiros nas primeiras pesquisas, levaram a tecnologia para o espaço sideral e pressionaram pela independência do poder. Isso estava prestes a mudar.

Veja, os provedores de serviços de telecomunicações australianos foram legislados para fornecer serviços em áreas rurais e encontraram os mesmos tipos de problemas que os Bell Labs já enfrentaram. Vastas áreas da Austrália estão muito quentes, e levar gás ou baterias para torres de retransmissão no Outback não é exatamente prático.

Este problema levou ao investimento em soluções, incluindo o eventual desenvolvimento do emissor passivo e da célula traseira (ou PERC) por Martin Green na New South Wales University. Crucialmente, isto reduziu a absorção de calor dos painéis solares para que pudessem continuar a operar a altas temperaturas. Ele também teve a vantagem de refletir a luz de volta no silício para uma segunda chance de absorção. Isso melhorou a eficiência em até 25%. Hoje em dia, cerca de 90% dos painéis solares utilizam células PERC.

“A tragédia é que o único governo que realmente demonstrou algum entusiasmo pela energia solar foi o governo chinês. O que inicialmente começou como uma invenção americana com a célula solar Bell, agora a China produz 80% ou 90% do material solar do mundo.” -John Perlin

Apesar da necessidade interna, o cenário político não era propício para que Green avançasse na sua tecnologia. Tal como a América, a Austrália tinha interesses nos combustíveis fósseis, que se opunham activamente à energia fotovoltaica. A vizinha China não tinha tais laços. Lá, Green conseguiu cortejar estudantes em potencial.

Um dos Ph.D. estudantes, Shi Zhengrong, levaram a nova tecnologia PERC para a China e levantaram capital suficiente para começar a produzir células solares em 2002 como um fabricante chamado Suntech. Além de resolver as necessidades de energia das telecomunicações da Austrália, a maioria dos painéis iria para a Alemanha para aproveitar os grandes incentivos governamentais para a produção de energia renovável.

Muitos dos investidores da Suntech vieram através do contato de Green com especialistas técnicos americanos. Esses contatos eventualmente levaram a Suntech a se tornar a primeira empresa privada com sede na China a ser listada na Bolsa de Valores de Nova York. O interesse ganhou impulso a tal ponto que vários outros fabricantes chineses de energia solar surgiram para aproveitar o investimento americano. Como resultado, a competição feroz entre eles fez baixar os preços.

Mesmo com dinheiro americano e apoio do governo chinês, a crise financeira de 2008 tornou esses preços baixos insustentáveis ​​para alguns jogadores. Ainda assim, muitos destes grandes fabricantes chineses de painéis solares conseguiram garantir o investimento americano antecipadamente e acelerar a produção em massa com rapidez suficiente para sobreviver à crise financeira e, em última análise, garantir preços historicamente baixos para a energia solar. O painel solar do Vanguard 1 custava US$ 100 por Watt, mas hoje custa menos de US$ 3 por Watt.

O que vem a seguir para os painéis solares?

Os painéis solares podem parecer ter surgido em todos os lugares apenas nos últimos anos, mas estão avançando lentamente em direção a este momento ao sol há mais de um século. A teoria fotovoltaica inicial abriu o caminho para a descoberta de Einstein da luz agindo como onda e partícula. O Bell Labs traduziu a teoria em realidade, o que fez com que painéis solares fossem enviados ao espaço, o que por sua vez provou à Exxon que ela (e posteriormente outras indústrias) poderia usar energia solar para operações remotas. Enquanto a América começou a migrar mais para os combustíveis fósseis, a China provou ser um terreno fértil para investidores e investigadores começarem a produzir painéis solares em grande escala e fazerem descer os preços.

Agora, as instalações solares nos EUA têm acelerado a um ritmo sem precedentes. Perlin continua otimista quanto às próximas etapas. Embora uma visão utópica popular possa ter um painel solar em cada telhado, Perlin vê o maior progresso acontecendo em usinas de energia solar em escala comercial. Portanto, embora nem todos possamos olhar para cima e ver o silício todos os dias, há uma boa chance de que ele continue a impulsionar cada vez mais a vida moderna, nos bastidores.