Uma janela solar criada por cientistas da Michigan State University em East Lansing atingiu uma eficiência de 5% utilizando a fotovoltaica orgânica.
RICHARD LUNT/MICHIGAN STATE UNIVERSITY
Lance Wheeler olha para arranha-céus vítreos e vê um potencial inexplorado. Casas e edifícios de escritórios, diz ele, são responsáveis por 75% do uso de eletricidade nos Estados Unidos, e 40% do seu uso geral de energia. As janelas, porque vazam energia, são uma grande parte do problema. “Qualquer coisa que possamos fazer para mitigar isso vai ter um impacto muito grande”, diz Wheeler, especialista em energia solar do Laboratório Nacional de Energias Renováveis em Golden, Colorado.
Uma série de resultados recentes aponta para uma solução, diz ele: Transformar as janelas em painéis solares. No passado, os cientistas de materiais incorporaram películas absorventes de luz no vidro das janelas. Mas tais janelas solares tendem a ter uma tonalidade avermelhada ou marrom que os arquitetos não acham atraente. As novas tecnologias de janelas solares, porém, absorvem quase exclusivamente luz ultravioleta (UV) ou infravermelha invisível. Isso deixa o vidro transparente enquanto bloqueia a radiação UV e infravermelha que normalmente vazam através dele, às vezes fornecendo calor indesejado. Ao cortar o ganho de calor enquanto gera energia, as janelas “têm enormes perspectivas”, diz Wheeler, incluindo a possibilidade de um grande edifício de escritórios poder se alimentar.
Muitas células solares, como as células de silício cristalino padrão que dominam a indústria, sacrificam a transparência para maximizar sua eficiência, a porcentagem da energia na luz solar convertida em eletricidade. As melhores células de silício têm uma eficiência de 25%. Enquanto isso, uma nova classe de materiais de células solares opacas, chamadas perovskites, estão se aproximando do silício com eficiências máximas de 22%. Não só os perovskites são mais baratos que o silício, como também podem ser afinados para absorver frequências específicas de luz, ajustando a sua receita química.
Esta semana em Joule, uma equipa liderada por Richard Lunt, um engenheiro químico da Michigan State University em East Lansing, relata que afinou os materiais para desenvolver uma janela solar de perovskite absorvente de raios UV com uma eficiência de 0,5%. Embora isso esteja abaixo da eficiência das melhores células de perovskite, Lunt diz que é alto o suficiente para alimentar outra tecnologia de janela: vidro escuro sob demanda que interrompe a luz intensa no calor do dia, reduzindo assim a necessidade de ar condicionado de um edifício. Lunt acredita que sua equipe tem um caminho claro para chegar a eficiências de 4% nos próximos anos. Nesse ritmo, as células poderiam alimentar parte da iluminação e ar condicionado do edifício.
Na outra extremidade do espectro está a luz infravermelha, que atinge a superfície terrestre mais intensamente do que a luz UV e, portanto, pode gerar mais eletricidade. No ano passado, na Nature Energy, a equipa de Lunt relatou ter feito células transparentes, absorventes de UV e infravermelhos com eficiências de 5%, utilizando filmes fotovoltaicos “orgânicos” – sanduíches de película fina de semicondutores orgânicos e metais. Lunt diz que os futuros sistemas que equipam os perovskites que absorvem os raios UV com os orgânicos que absorvem os infravermelhos poderiam alcançar eficiências de 20%, enquanto ainda são quase totalmente transparentes.
Uma terceira abordagem para limpar janelas solares depende dos chamados concentradores solares luminescentes. Nessas janelas, pontos quânticos, que são pequenas partículas semicondutoras, absorvem a luz em frequências UV e infravermelhas e a reemitem nos comprimentos de onda que as células solares tradicionais capturam. A luz reemitida é concentrada e desviada lateralmente, através do vidro, para tiras de células solares embutidas na moldura da janela. Como os pontos quânticos são baratos e apenas uma pequena quantidade de material de células solares é necessária para capturar a luz reemitida, estas janelas solares prometem ser baratas. Além disso, as células solares funcionam melhor sob luz intensa e concentrada. Já estas janelas alcançaram eficiências de 3,1%, Victor Klimov, químico do Laboratório Nacional Los Alamos no Novo México, e seus colegas relataram na Nature Photonics em janeiro.
Não conte ainda as janelas semitransparentes, diz Michael McGehee, especialista em janelas solares e perovskites da Universidade de Stanford em Palo Alto, Califórnia. No ano passado, por exemplo, o Departamento de Energia dos EUA concedeu US$ 2,5 milhões à Next Energy Technologies em Santa Barbara, Califórnia, para aperfeiçoar suas janelas de células solares orgânicas semitransparentes. A empresa atingiu uma eficiência de 7% com janelas que absorvem metade da luz solar incidente que as atinge, inclusive a luz visível. Isso as escurece em comparação com o vidro transparente, mas como absorvem a luz de todo o espectro e não em frequências específicas, não assumem a tonalidade avermelhada ou acastanhada desagradável. “Acontece que uma janela que absorve cerca de metade da luz em todo o espectro visível parece ótimo”, diz McGehee, que também serve como conselheiro da empresa.
Wheeler não tem certeza de qual tecnologia vai acabar em cima. Um fator será a toxicidade: O vidro parte-se e muitas tecnologias de janelas solares contêm uma pequena quantidade de materiais tóxicos. As tecnologias também têm que ser duráveis o suficiente para durar décadas, como exigido pela indústria da construção. Mas ele diz que é uma aposta segura esperar que os futuros edifícios não retirem toda a sua energia da rede. Eles também a vão gerar. “Os construtores têm de colocar janelas de qualquer maneira”, diz Wheeler. “Por que não por trás dessas janelas?”