Pesquisadores do MIT desenvolveram um procedimento simples para fazer um tipo promissor de células solares usando chumbo recuperado de descartados de chumbo-ácido
baterias de um carro práticas que possam beneficiar tanto o meio ambiente ea saúde humana. À medida que novas baterias de carro sem chumbo entrar em uso, as baterias velhas seria enviado para o setor de energia solar ao invés de aterros sanitários. E se a produção deste novo e de alta eficiência, baixo custo da célula solar leva off-como muitos especialistas acham que vai-fabricantes aumento da demanda "para o chumbo poderiam ser satisfeitas sem mineração de chumbo adicional e fundição. Experiências laboratoriais confirmam que as células solares feitas com chumbo reciclado trabalho tão bem como aqueles feitos com elevado grau de pureza, disponível comercialmente materiais de partida. Reciclagem de baterias poderia, assim, apoiar a produção destas células solares inovadoras enquanto pesquisadores trabalham para substituir a liderança com um material mais benigna, mas igualmente eficaz.
Muita atenção na comunidade solar está focada agora em uma classe emergente de materiais fotovoltaicos cristalinos chamados perovskitas. As razões são claras: Os ingredientes começando são abundantes e facilmente processados a baixas temperaturas, e as células solares fabricadas pode ser fina, leve e flexível, ideal para a aplicação de janelas, a construção de fachadas, e muito mais. E eles prometem ser altamente eficiente.
Ao contrário da maioria tecnologias solares avançados, perovskites estão cumprindo rapidamente essa promessa. "Quando as células solares à base de perovskita surgiu pela primeira vez, eles eram uns poucos por cento eficiente", diz Angela Belcher, o James Mason Crafts Professor em Engenharia Biológica e ciência dos materiais e engenharia no MIT. "Em seguida, eles foram de 6 por cento eficiente, então 15 por cento, e, em seguida, 20 por cento. Foi muito divertido de assistir as eficiências subir rapidamente ao longo de um par de anos." Células solares perovskita demonstrados em laboratórios de pesquisa em breve poderá ser tão eficientes quanto as células comerciais à base de silício solares atuais, que alcançaram eficiências atuais só depois de muitas décadas de intensa investigação e desenvolvimento.
Grupos de pesquisa estão trabalhando agora para expandir seus protótipos laboratoriais e para torná-los menos suscetíveis à degradação quando exposto à umidade. Mas uma preocupação persiste: As células solares mais eficientes perovskita conter todas chumbo.
Essa preocupação chamou a atenção de Belcher e seu colega Paula Hammond, o David Koch (1962) professor de Engenharia e chefe do Departamento de Engenharia Química no MIT. Belcher e Hammond passaram décadas em desenvolvimento ambientalmente amigáveis procedimentos de síntese para gerar materiais para aplicações de energia, como baterias e células solares. Embora o chumbo é tóxico, em dispositivos de consumo pode ser encapsulado em outros materiais de modo que não pode escapar e contaminar o meio ambiente, e que pode ser recuperado a partir de dispositivos reformados e usado para fazer novos. Mas mineração e refino de chumbo levantar grave para a saúde e questões ambientais que vão desde a libertação de vapores tóxicos e poeira a emissões elevadas de consumo de energia e gases de efeito estufa. Portanto, as equipes de pesquisa em todo o mundo, incluindo-Belcher e Hammond-foram buscando um substituto para a liderança em células solares perovskita. Mas até agora, nada provou quase tão eficaz.
Reconhecendo a promessa desta tecnologia ea dificuldade de substituir o chumbo nele, em 2013, os pesquisadores do MIT propôs uma alternativa. "Nós pensamos, o que se nós temos a nossa liderança de outra fonte?" Belcher lembra. Uma possibilidade seria descartado baterias de carro de chumbo-ácido. Hoje, baterias de carros antigos são reciclados, com a maioria do chumbo usado para produzir pilhas novas. Mas a tecnologia da bateria está mudando rapidamente, eo provável futuro trará novos, opções mais eficientes. Nesse ponto, os 250 milhões de baterias de chumbo-ácido em carros norte-americanos hoje se tornarão resíduos e que poderia causar problemas ambientais.
"Se pudéssemos recuperar a liderança nessas baterias e usá-lo para fazer células solares perovskita, seria uma situação win-win", diz Belcher.
De acordo com Belcher, recuperando chumbo de uma bateria de chumbo-ácido e transformá-lo em uma célula solar perovskita envolve "um processo muito, muito simples" -então simples que ela e seus colegas publicaram um vídeo de exatamente como fazê-lo. (A seqüência de etapas é ilustrado no slideshow acima.) A liderança para fora do carro O primeiro passo ficando-bateria-pode parecer uma proposição simples. Basta remover a bateria do carro, cortá-la aberta com uma serra, e raspar a liderança fora os dois eletrodos. Mas a abertura de uma bateria é extremamente perigoso devido ao ácido sulfúrico e o chumbo tóxico no seu interior. (Na verdade, quando Belcher aprendi que estudantes do ensino médio foram recriando o procedimento para projetos de feiras de ciências, ela teve sua equipe excluir essa seção do vídeo instrucional.) No final, Po-Yen Chen PhD '15, em seguida, uma pós-graduação de engenharia química estudante e um companheiro de Energia Eni-MIT e agora um pós-doc na Universidade de Brown, providenciado para um centro de reciclagem de bateria perto de sua casa em Taiwan executar o processo de desmontagem.
De volta ao MIT, vestido com roupas de proteção e trabalhando dentro de um capuz químico, os pesquisadores cuidadosamente raspados material de fora os eletrodos e, em seguida, seguiu os passos na ilustração para sintetizar o pó de chumbo iodeto de que precisavam. Em seguida, o pó dissolvido num solvente e deixado cair sobre um disco rotativo feito de um material condutor transparente, onde se espalhou para fora para formar uma fina película de perovsquita. Depois de realizar mais algumas etapas de processamento, eles integraram o filme perovskita em uma célula solar funcional que converteu com êxito a luz solar em eletricidade.
Punição pelo uso de chumbo reciclado?
O procedimento simples para recuperar e processar a liderança e fazer uma célula solar pode ser facilmente escalado para cima e comercializado. Mas Belcher e Hammond sabia que os fabricantes de células solares teria uma pergunta: Existe alguma penalidade para o uso de materiais reciclados em vez de iodeto de chumbo de alta qualidade comprados de uma empresa química?
Para responder a essa pergunta, os pesquisadores decidiram fazer algumas células solares que utilizam materiais reciclados e alguns utilizam materiais comercialmente disponíveis e, em seguida, comparar o desempenho das duas versões. Eles não pretendem ser especialistas em fazer células solares perovskita otimizados para a máxima eficiência. Mas se as células que eles fizeram com os dois materiais de partida realizada igualmente bem, em seguida, "as pessoas que são hábeis em afinar essas células solares de obter 20 por cento de eficiência seria capaz de usar nosso material e obter os mesmos ganhos de eficiência", Belcher fundamentado.
Os investigadores começaram por avaliar a capacidade de luz-colheita dos filmes finos perovskita feitos a partir de baterias de carro e de alta pureza iodeto de chumbo comercial. Em uma série de testes, as películas apresentavam a mesma estrutura nanocristalina e capacidade de absorção de luz idêntica. De facto, a capacidade dos filmes de absorver a luz em diferentes comprimentos de onda foi o mesmo.
Em seguida, testaram células solares que tinham fabricadas a partir dos dois tipos de perovskita e descobriram que o seu desempenho fotovoltaico foi semelhante. Uma medida de interesse é a eficiência de conversão de energia (PCE), que é a fracção da energia solar incidente que sai como energia eléctrica. A figura acima mostra medições PCE em 10 das células solares fabricadas a partir de iodeto de chumbo de alta pureza e 10 fabricadas a partir de baterias de carro. Devido às medições de eficiência nestes tipos de dispositivos pode variar amplamente, a figura apresenta não só a maior PCE alcançado mas também a média ao longo de todo o lote de dispositivos. O desempenho dos dois tipos de células solares é quase idêntica. "Portanto, a qualidade dispositivo não sofrem com o uso de materiais recuperados a partir de baterias de carro gastos", diz Belcher.
Tomados em conjunto, estes resultados foram extremamente promissora, mas eles foram baseados em células solares fabricados a partir de uma única bateria de carro descartado. O resultado pode ser diferente usando uma bateria diferente? Por exemplo, eles foram capazes de recuperar mais do que 95 por cento do eléctrodo utilizável na sua bateria. Será que a fracção ser inferior em uma bateria mais velho? E pode a qualidade ou a pureza da liderança recuperada diferem?
Para descobrir, os pesquisadores voltaram ao centro de reciclagem de Taiwan e comprou mais três baterias. O primeiro estava operando por seis meses, a segunda por dois anos, ea terceira por quatro anos. Eles, então, seguiu os mesmos procedimentos para recuperar e sintetizar o iodeto de chumbo e fabricar e testar as células solares feitas com ele. O resultado foi o mesmo, com uma única excepção: Nas baterias mais velhos, alguns dos chumbo ocorre sob a forma de sulfato de chumbo-um resultado de reacções com o electrólito ácido sulfúrico. Mas eles descobriram que os seus processos originais foram eficazes na recuperação do chumbo a partir do sulfato de chumbo, bem como a partir de outros compostos dentro das baterias.
Com base em seus resultados, Belcher e Hammond concluiu que chumbo reciclado pode ser integrado em qualquer tipo de processo que os pesquisadores estão usando para fabricar perovskita à base de energia solar células e de fato para fazer outros tipos de células solares contendo chumbo, diodos emissores de luz, dispositivos piezoelétricos, e mais.
Impacto econômico potencial
Uma análise económica simples mostra que o procedimento proposto bateria-a-célula solar pode ter um impacto substancial. Assumindo que a película fina perovskita é apenas metade de um micrômetro de espessura, os pesquisadores calculam que uma única bateria de carro de chumbo-ácido poderia fornecer chumbo suficiente para a fabricação de mais de 700 metros quadrados de células solares perovskita. Se as células alcançar 15 por cento de eficiência (uma suposição conservadora hoje), essas células solares que juntos fornecem energia suficiente para abastecer cerca de 14 famílias em Cambridge, Massachusetts, ou cerca de 30 agregados familiares na ensolarada Las Vegas, Nevada. Ligando todos os Estados Unidos levaria cerca de 12,2 milhões de baterias de carro reciclados, fabricado em 8.634 quilômetros quadrados de painéis solares perovskita que operam sob condições semelhantes àquelas em Nevada.
No longo prazo, é claro, a melhor abordagem seria encontrar um substituto eficaz, não tóxico para a liderança. Belcher e Hammond continuar a procurar um substituto adequado, realizando estudos teóricos e experimentais com vários tipos de átomos. Ao mesmo tempo, eles começaram a testar o impacto de uma outra abordagem: a substituição de uma parte da liderança com outro material que pode não funcionar tão bem, mas é mais amiga do ambiente. Já que eles tiveram resultados promissores, conseguindo alguns "ganhos de eficiência bastante decentes", diz Belcher. A combinação de suas duas abordagens utilizando-chumbo reciclado e reduzindo a quantidade necessária-poderia aliviar as preocupações de curto prazo ambientais e de saúde, enquanto Belcher, Hammond e outros, desenvolver a melhor química possível para esta tecnologia solar romance.
Fornecido por: Instituto de Tecnologia de Massachusetts ( STOP)
