Nova pesquisa mostra potencial de células solares baseadas em resfriadores radiativos de cimento

Da pv magazine Global

Pesquisadores da Universidade Politécnica de Turim, na Itália, procuraram quantificar os efeitos positivos de resfriadores radiativos feitos de pasta de cimento no desempenho de células fotovoltaicas. Estes resfriadores são normalmente utilizados para gerenciamento térmico em edifícios e têm forte potencial devido aos baixos custos do material com o qual são feitos.

O resfriamento radiativo ocorre quando a superfície de um objeto absorve menos radiação da atmosfera e emite mais. Como resultado, a superfície perde calor e um efeito de resfriamento pode ser alcançado sem a necessidade de energia.

“O objetivo deste trabalho foi melhorar o modelo de equilíbrio detalhado comumente empregado na literatura para avaliar resfriadores radiativos para células solares”, disse o autor correspondente da pesquisa, Matteo Cagnoni, à pv magazine. “Em particular, estávamos interessados na inclusão de canais de recombinação não radiativos e na resistência de contato térmico na interface célula/resfriador.”

De acordo com Cagnoni, os resfriadores radiativos à base de cimento têm baixa propriedade de adesão, o que pode causar uma grande resistência de contato térmico, dificultando o fluxo de calor da célula para o resfriador, impedindo o resfriamento.

“Se esse desafio for superado, acreditamos que esse conceito será muito interessante no contexto da energia fotovoltaica integrada a edificações (BIPV) – aliás, há relatos de células solares construídas sobre elementos estruturais da construção, como telhas”, explicou, observando que os custos de tal módulo podem ser apenas um pouco mais altos do que aqueles sem o resfriador, graças à dependência de materiais baratos, escaláveis e robustos à base de cimento.

No artigo “Extended detailed balance modeling toward solar cells with cement-based radiative coolers“, publicado na Progress in Photovoltaics, o grupo de pesquisa demonstrou que os resfriadores à base de cimento, desenvolvido originalmente em 20222, poderiam se aproximar do espectro do emissor de banda larga ideal para células solares.

Os cientistas incorporaram a recombinação não radiativa Auger (AUG) e Shockley-Read-Hall (SRH) em sua modelagem.

A recombinação consiste em um processo não radiativo que reduz a eficiência das células fotovoltaicas abaixo do limite radiativo ideal. Consiste na energia dada a um terceiro portador que é instigado para um nível de energia mais alto sem se mover para outra banda de energia. Essa energia é dissipada não pela emissão de fótons, mas sim pela elevação da energia cinética de outro portador livre.

A recombinação não radiativa SRH, que também é conhecida como recombinação assistida por armadilha, descreve estados de energia que são chamados de armadilhas e são criados pelo elétron em transição entre bandas. Este elétron passa por um novo estado de energia criado dentro da lacuna de banda por um dopante ou um defeito na rede cristalina.

“Além de reduzir trivialmente a eficiência geral de conversão de energia, esses mecanismos também aumentam a temperatura de operação da célula e a taxa de redução de sua eficiência com o aumento da temperatura”, afirmaram os cientistas. “Negligenciar a recombinação não radiativa pode levar a uma subestimação dos benefícios fornecidos por um resfriador radiativo, com esses benefícios sendo ligeiramente enfraquecidos, mas longe de desprezíveis, em células bem descritas pelo limite radiativo.”

Eles também afirmaram ter demonstrado que uma resistência de contato térmico na interface célula/resfriador cria as condições para um perfeito acoplamento térmico e sistema isotérmico, desacoplamento térmico completo e redução parcial do efeito de resfriamento. “O coeficiente finito de transferência de calor vai enfraquecer esses benefícios, mas definimos diretrizes de projeto que devem permitir que os engenheiros de dispositivos identifiquem o valor mínimo desse parâmetro necessário para obter o desempenho de resfriamento desejado”, concluíram.

O resfriamento radiativo foi recentemente aplicado ao resfriamento de painéis solares por pesquisadores da Universidade de Nottingham, no Reino Unido, da Universidade Jiao Tong de Xangai, da China, da Universidade de Purdue, nos Estados Unidos, do Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia e do Instituto de Ciência de Materiais,  na Espanha, da Universidade de Ciência e Tecnologia da Jordânia e o Colégio Australiano do Kuwait.