Veijo Hänninen

Aurinkokennojen uusi sukupolvi

Aurinkokennojen markkinat ovat melkoinen bisnes ja eräiden näkemysten mukaan niiden asennuskustannukset rakennuksiin alkavat olla suuremmat kuin itse kennojen kustannukset.

Tähän vastatakseen alan kehittäjät ovat tuoneet esiin ratkaisuja joilla kennopaneelien muunnoshyötysuhdetta parannetaan, jolloin pienemmällä asennusmäärällä saavutetaan sama tuottotaso.

Tähän tavoitteeseen pyritään tällä hetkellä tandem-kennoilla, joissa yhdistyvät pii- ja perovskiittikennojen edut.

Piitä ja perovskiittia

Esimerkiksi Coloradon yliopiston ja NREL:n tutkijoiden yhteisvoimin on yhdistetty perovskiittisen aurinkokennon kiderakenne, joka on suunniteltu keräämään korkeamman energian fotoneja piin aurinkokennon päälle, joka vangitsee fotoneja enemmänkin spektrin infrapuna-osasta. Yhdistettynä tämä rakenne nostaa aurinkokennon muunnoshyötysuhdetta kolmanneksella eli 27 %:iin. Nykyiset piipohjaiset kennojen muunnoshyötysuhde on keskimäärin vain 18 % - 21 % ja maksimin ollessa noin 26,6 %.

Tällaista tehokkuuden kasvatusta jo 1970-luvulta lähtien ja pienissä laboratorioversioissa hyötysuhteen maailmanennätys onkin jo yli 45 %.

Perovskiitit ovat toisaalta lupailleet alalle kustannustehokasta vaihtoehtoa mutta niiden kestävyydessä on ollut vielä kehittämistä. Coloradon tutkijoiden ratkaisu liittyy tältä osin erikoiseen kloorin, bromin ja jodin kolmoishalogeniseokseen.

Mutta käyttämällä erilaisia määriä klooria, bromia ja jodia, tutkijat onnistuivat stabiloimaan ja parantamaan kennon tehokkuutta. Sellainen ei ole aiemmin onnistunut, jos on käytetty vain kahta näistä kolmesta aineesta.

Peräti tuhannen käyttötunnin intensiivisen valo- ja lämpötestauksen jälkeen nämä uudet aurinkokennot osoittivat vain pienen muutoksen alkuperäisessä hyötysuhteessaan.

Teollista valmistusta ajatellen

Myös Toronton teknillisen yliopiston ja King Abdullahin tiede- ja tekniikkayliopiston (KAUST) tutkijat ovat ylittäneet piikennojen hyötysuhteen pii-perovskiitti aurinkokennolla.

Lisätä kerros perovskiittiä teksturoidun piin päälle kerrosaurinkokennon luomiseksi on tapa parantaa yhdistelmän suorituskykyä mutta nykyisiä piirakenteet eivät tue tätä lähestymistapaa.

Aurinkokennojen vakiintuneet piirakenteet sisältävät pieniä pyramidirakenteita, joiden tarkoitus on minimoida pinnalta poisheijastavan valon määrää ja siten lisätä yleistä hyötysuhdetta, mutta se vaikeuttaa tasaisen perovskiittikerroksen tuottamista sen päälle.

"Useimmat aikaisemmat tandemkennot on valmistettu kiillottamalla ensin piin pinta tasaiseksi johon lisätään sitten perovskiittikerros", Hou sanoo. "Se toimii, mutta lisäkustannuksin."

Toronto/KAUST -ryhmä otti erilaisen lähestymistavan. He kasvattivat perovskiittikerroksen paksuutta tekemällä siitä riittävän paksun peittämään piipyramidirakenteiden sekä kärjet että laaksot.

Ryhmä havaitsi, että laaksojen perovskiitit tuottivat sähkökentän, joka erottaa perovskiittikerroksessa syntyvät elektronit piikerroksessa syntyvistä elektroneista. Tämä parantaa mahdollisuuksia, että viritetyt varaukset virtaavat ulkoiseen piiriin eikä kennon muihin osiin. Ryhmä paransi varauserottelua myös päällystämällä perovskiittikiteet passivointikerroksella, joka oli valmistettu tavallisesta teollisuuskemikaalista.

Näin valmistettujen tandem-aurinkokennojen hyötysuhde oli 25,7 prosenttia. Ne olivat myös vakaita, kestäen jopa 85 celsiusasteen lämpötiloja yli 400 tuntia ilman merkittävää suorituskyvyn heikkenemistä.

"Se, että pystymme tekemään kaiken tämän muuttamatta piitä, tekee siitä liuosprosessoitavan ratkaisun", Hou sanoo. "Teollisuus voi soveltaa tätä tarvitsematta tehdä kalliita muutoksia nykyisiin prosesseihinsa."

Ja ennätysvirittely jatkuu

Australian kansallisen yliopiston (ANU) tutkijat ovat puolestaan saavuttaneet 27,7 prosentin muunnoshyötysuhteen mekaanisesti pinotuille perovskiitti-pii -kennoille.

"Aurinkopaneelien peittoala on kustannusten suurin tekijä. Joten jos tällainen tekniikka menestyksekkäästi markkinoidaan, se voi johtaa aurinkoenergian kustannusten huomattavaan alenemiseen ja pienempiin energialaskuihin," toteaa professori Kylie Catchpole.

ANU:n tutkijoiden kennorakenne on neliterminaalinen eli molemmille kennoille on omat antokontaktit. Ne puolestaan vaativat kumpikin omat sovituspiirinsä.

Asennuskustannukset valmistajien tähtäimessä

Esimerkiksi eurooppalaisen Graphene Flagshipin italialaiset tutkijoiden johdolla on onnistuneesti yhdistetty grafeenia mekaanisesti koottuihin perovskiitti-pii aurinkokennoihin saavuttaen näin 26 %:n hyötysuhteen.

Grafeenia ja muita kaksiulotteisia materiaaleja on ryhdytty käyttämään perovskiittikennojen absorboivan kerroksen ja varausta kuljettavien kerrosten välillä. Liuosprosessina se on edullinen ja tuonut perovskiittikennot uudelle tehonmuunnostasolle.

Kahden kytkentäterminaalin arkkitehtuurit johtavat alempiin asennuskustannuksiin kuin neliterminaaliset kokoonpanot. On kuitenkin haastavaa prosessoida perovskiittikennot monoliittisesti suoraan mikrometrien tekstuureiksi ennätystehokkaiden piiheteroliitoskennojen pinnoille.

Näiden tutkijoiden tandemkennosto kootaankin mekaanisesti, jolloin ylä- ja alakennot valmistetaan erikseen ja kytketään yhteen perovskiittikennon takakontaktin ja piikennon teksturoidun ja metalloidun etukontaktin kanssa.

Lisäksi tutkijoiden kehittämä valmistusmenetelmä keventää tuotantokustannuksia ja voi todella johtaa suurialaisten aurinkopaneelien tuotantoon.

Tutkijoiden mukaan uusi työ on todiste siitä, että grafeeni ja sen tapaiset kerrosmateriaalit mahdollistavat tehokkaampien ja kustannustehokkaampien suurialaisten aurinkopaneelien kaupallistamisen.

Rooman Tor Vergata yliopiston tutkija Aldo di Carlo selittää: "Uusi lähestymistapamme valmistaa grafeenin mahdollistamia tandem-aurinkokennoja tuottaa kaksinkertaisen edun.

Ensinnäkin sitä voidaan soveltaa parantamaan kaikkia erityyppisiä tällä hetkellä saatavilla olevia perovskiittisiä aurinkokennoja, mukaan lukien korkeissa lämpötiloissa prosessoidut. Mutta mikä tärkeintä, voimme ottaa grafeenin mukaan liuoksellisilla valmistusmenetelmillä, mikä on avain tekniikan käyttöönottamiseksi teollisuudessa ja suuren pinta-alan, grafeenitehosteisten aurinkopaneelien tuottamiseksi."

Joustavia ja värittömiä aurinkokennoja

Kun aurinkokennot muuttuvat läpinäkyviksi niitä voi käyttää vaikkapa rakennusten ikkunoihin. Ja kun vielä lisätään joustavuus, tuotevalikoima laajenee jopa puettavien laitteisiin.

UNIST-yliopiston professori Kyoung Jin Choin johdolla toiminut tutkimusryhmä on esitellyt aurinkokennon, joka perustuu piin mikrolankakomposiitteihin.

Lieriömäiset piilangat on upotettu joustavaan ja läpinäkyvään polymeerimateriaaliin. Ne on järjestetty välein, joka tuottaa läpinäkyvyyden silmälle. Lisäksi piilankojen kärkiä viistämällä onnistuttiin lisäämään valon absorboitumista heijastuksia hyödyntäen.

"Uuden aurinkokennon odotetaan ylläpitävän yli 95 %:n alkuperäisestä hyötysuhteestaan jopa kymmenien taivutustestien jälkeen ja sitä voidaan käyttää monissa rakennuksissa, ajoneuvolasissa ja puettavissa laitteissa."

Erittäin ohut orgaaninen aurinkokenno

Japanilaisen RIKEN -tutkimusinstituutin tutkijat ovat onnistuneet luomaan yhteistyössä kansainvälisten kumppaneiden kanssa erittäin ohuen orgaanisen aurinkokennon, joka on sekä tehokas että kestävä.

He loivat joustavan orgaanisen kennon, joka heikkeni alle 5 prosentilla 3 000 tunnissa ilmakehän olosuhteissa ja jonka samanaikainen energianmuutossuhde on 13 prosenttia.

Äärimmäisen ohuet joustavat aurinkokennot ovat erityisen houkuttelevia monissa sovelluksissa, koska ne voisivat tarjota hyvän tehon painoa kohti ja ovat tietyissä mitoissa joustavia. Erittäin ohuilla kalvoilla on kuitenkin taipumus heiketä nopeasti auringonvalon, lämmön ja hapen vaikutuksesta.

Tutkimuksessa ryhmä osoitti, että erittäin ohut kenno voi olla sekä kestävä että tehokas. Ryhmä aloitti luovuttajakerrokseen tarkoitetun puolijohdepolymeerin kanssa ja kokeili uutta ajatusta käyttää ei-fullereenista akseptoria, joka lisää lämpöstabiilisuutta.

Tämän lisäksi he kokeilivat yksinkertaista hehkutuksen jälkeistä prosessia, joka osoittautui kriittiseksi rakenteen kestävyyden parantamisessa luomalla vakaan rajapinnan kerrosten välille.

Sisätilojen valaistuksesta tehoa IoT-laitteille

Uppsalan yliopiston tutkijat esittävät uudentyyppisiä väriaineille herkistettyjä valokennoja, jotka keräävät valoa sisätilojen valaistuksesta.

Niihin tukeutuen kemian laitoksen professorin Marina Freitagin johtama tutkimusryhmä on kehittänyt uusia sisätilojen valokennoja, jotka voivat muuntaa jopa 34 prosenttia näkyvästä valosta sähköksi.

Ryhmä on suunnitellut uusia väriaineille herkistettyjä aurinkokennoja, jotka perustuvat kuparikompleksiseen elektrolyyttiin, mikä tekee niistä ihanteelliset energian keräämisen sisätilojen valaistuksen loistelampuista ja ledeistä.

"Sisätilojen valonlähteiden spektrien tunteminen mahdollistaa erityisten väriaineiden virittämisen sisätilojen valon absorboimiseksi. Vaikka sisäenergia tuottaa suuria määriä energiaa, ne ylläpitävät myös korkeaa jännitettä heikossa valossa, mikä on tärkeää IoT-laitteiden tehonkäytölle", Freitag sanoo.

Hyvän hyötysuhteen ja alhaisten kustannusten yhdistelmä myrkytöntä materiaalia sisätilojen valosähköä varten on ensiarvoisen tärkeää IoT:n vihertävyydelle," sanoo Freitag.

Maaliskuu 2020