Monenmoiset aurinkokennot

Veijo Hänninen

Aurinkoenergian valtava potentiaali on pitänyt alan tutkimustoiminnan virkeänä ja tuottanut monia mielenkiintoisia aurinkoenergiatekniikan kokeiluja ja sovelluksia.

Apua on haettu paitsi materiaalitekniikan uusista löydöistä mutta myös kvanttipisteistä, plasmoniikasta sekä aivan uusista teoreettisista menetelmistä.

EPFL:n Institute of Microengineering saavutti alkuvuodesta 10,7 prosentin muunnostehokkuuden yksiliitoksiselle mikrokiteiselle ohutkalvoiselle piikennolle. Aiempi 10,1 prosentin ennätys oli vuodelta 1998.

Tyypillisesti kiekosta valmistetut aurinkokennot ovat noin 200 mikronin paksuisia mutta tämä ennätys saavutettiin vain 1,8 mikronin paksuisella piimateriaalilla. Lisäksi toteutuksessa ei tarvittu missään vaiheessa yli 200 Celsius-asteen lämpötiloja.

Myös Oslon yliopiston tutkijat ovat onnistuneet valmistamaan 20 kertaa nykyisiä ohuemman aurinkokennon, johon on kuitenkin liitetty pieniä mikrohelmiä ja varjopuolelle epäsymmetrisiä kuoppia kennon efektiivistä paksuutta parantamassa.

Sveitsin liittovaltion Materials Science and Technologyn laboratorioiden (EMPA) tutkijat nostivat puolestaan ohutkalvoisten CIGS (copper indium gallium di-selenide) -aurinkokennojen muunnoshyötysuhteen polypiikennoja vastaavaan 20,4 prosenttiin.

Yhdistelmillä tavoitteena 50 prosenttia

Vuoden 2013 aikana valokeskitettyjen monikerroksisten aurinkokennojen muunnoshyötysuhteet kasvoivat lähes 45 prosenttiin. Sharp ja Fraunhofer kertoivat saavuttaneensa useampiliitoksisilla kennoillaan yli 44 prosentin hyötysuhteita.

Usean rajapinnan aurinkokennojen rakennemahdollisuuksia on tutkittu monissa labroissa sillä niillä ja keskitetyllä valaistuksella on mahdollisuus rikkoa hyötysuhteen 50 prosentin rajapyykki.

Usean rajapinnan aurinkokennoissa kukin liitosrajapinta on sovitettu auringon spektrin eri aallonpituuskaistoille. Teoriassa äärettömän määrän rajapintakennoilla voisi saada muuntohyötysuhteeksi 87 prosenttia.

Haasteena on kehittää puolijohdejärjestelmä, jolla voidaan saavuttaa laaja valikoima kaistaeroja ja kasvattaa se hiloiltaan sovitetuiksi.

NRL:n tutkimusryhmä on suunnitellut rakenteen, joka voi saavuttaa 0,7 - 1,8 elektronivoltin suoria kaistaeroja materiaaleissa, jotka ovat hiloiltaan sovitettuja indiumfosfidi (InP) alustalle.

Pintakuvioinnilla tehostaen

Useimmat perinteiset aurinkokennot perustuvat paksuihin auringonvaloa absorboiviin materiaaleihin mutta ne ovat sitten hintavia. Monet uudet, edullisemmat mallit ovat taas heikompia koska niiden valoa absorboiva materiaalikerros on liian ohut uuttaakseen tehokkaasti energiaa.

Imperial College Londonin tutkijat ovat osoittaneet, että ohuiden suorituskykyä voitaisiin parantaa jopa 22 prosentilla sijoittamalla pintaan alumiinisia nanopisteitä jotka suuntaavat valoa absorboivan kerroksen sisälle.

Toisin kuin aiemmin kokeillut valoa absorboivat hopea- ja kultapisteet alumiini vain taivuttaa ja sirottaa valoa sopivasti kun valo kulkee sen ohi aurinkokennossa.

Aalto-yliopistossa on puolestaan tutkittu mustan piin passivointia sillä sen (b-Si) käyttö nostaisi aurinkokennojen tehokkuuden uudelle tasolle.

Kuitenkin sen saavuttamiseksi tarvitaan tehokasta pinnan passivointimenetelmää.

Aalto-yliopiston tutkija Päivikki Repo selvitti tutkimuksessaan, kuinka ongelma ratkaistaan atomikerroskasvatuksen avulla.

Eräs pintaparannuskeino perustuu paneelin lasin eteen tulevaan hologrammiin. Se päästää sisään vain halutut aallonpituudet, jolloin kenno ei menetä tehoaan ylimääräisen valon aiheuttaman lämpenemisen vuoksi.

Uusimmassa saavutuksessa University of Illinois at Urbana ja University of Central Florida Orlandossa toiminut tutkijaryhmä on onnistunut tuottamaan ohuiden piikennojenryhmien tueksi edullisella nanopainatuksella tehdyn valon keruurakenteen, joka lähes kaksinkertaistaa kyseisen kennon muunnoshyötysuhteen.

Orgaaniset polymeerikennot

Epäorgaanisessa aurinkokennossa valo tuottaa vapaita elektroneja jotka kumpikin siirtyvät erikseen puolijohdemateriaalin lävitse.

Orgaanisessa aurinkokennossa valon absorboituminen tuottaa eksitoneja, elektroni-aukko pareja, jotka ovat sidoksissa toisiinsa eivätkä siten voi liikkua erikseen vapaasti.

Eksitoniparin avaus vapaiksi varauksenkuljettajiksi voi tapahtua esimerkiksi sähkökentän tai materiaalin vikakohdan avulla tai kuten yleensä kahden materiaalin rajapinnalla, joiden energiatasoilla on riittävä epäsuhta.

Orgaanisista yhdisteistä voidaan tehdä halvempia, muovipohjaisia aurinkokennoja mutta niiden tehokkuudessa on toivomisen varaa.

Orgaanisia puolijohdemateriaaleja ja polymeerejä, voidaan liuottaa musteeksi jota sitten levitetään ohuesti laajalle alueelle. Ongelmana on kuitenkin hallita molekyylien järjestymistä ohuessa kerroksessa.

Imperial College Londonin tutkijat ovat kehittäneet menetelmän jossa he ohjailevat kahden eri polymeerin sekoittumista niin, että osasta niitä muodostuu nanolankamaisia rakenteita. Kalvolle uitettuna lankarakenteet tuottavat varausaukoille kolmikertaisen liikkuvuuden verrattuna hallitsemattomaan sekoitukseen.

Tehokkaampia orgaanisia aurinkokennoja

Jotkut tutkijat uskovat, että avain orgaanisten kennojen parempiin hyötysuhteisiin piilee polymeerin/orgaanisen kennon akseptori- ja luovuttaja-alueiden puhtaudessa.

Kokeilut kuitenkin osoittivat, että vähemmänkin puhtaat toiminta-alueet voivat johtaa parempaan suorituskykyyn jos ne on tehty riittävän pieneksi.

Stanfordin tutkijat saivat aiemmin vihiä, että epäjärjestys molekyylitasolla parantaa polymeerien suorituskykyä. Uudemmassa tutkimuksessa huomattiin, että häiriö molekyylitasolla todella parantaa puolijohtavien polymeerien suorituskykyä.

Keskittämällä luontaisia häiriöitä muovipolymeereihin, tutkijat voisivat suunnitella uusia materiaaleja, jotka vetävät elektroneja pois kennon rajapinnasta, jossa kaksi puolijohtavaa kerrosta kohtaavat.

Orgaanisissa aurinkokennoissa rajapinnat ovat aina sekaisempia kuin alue kauempana ja tämä luo luonnollisen gradientin, joka imee elektroneja sekaiselta alueelta järjestäytyneille alueille.

Uusia materiaaleja

Northwestern Universityssä toiminut tutkijaryhmä raportoi syntetisoiduista polymeeripuolijohteista ja polymeeri-fullereenikennoista, joille saavutettiin muunnoshyötysuhde 8,7 prosenttia vaikka käytetyt polymeeripuolijohteet eivät olleet parhaat mahdolliset.

Rice ja Pennsylvania State yliopistot ovat laboratorioissaan löytäneet uuden aurinkokennoihin sopivan orgaanisten materiaalien luokan.

Löytö perustuu sekapolymeereihin (block copolymers), jotka järjestäytyvät itsestään erillisiin kerroksiin. Näillä toteutetut aurinkokennot saavuttavat noin kolmen prosentin hyötysuhteen, mikä parempi kuin muut laboratoriot ovat saavuttaneet pelkillä polymeeriyhdisteillä.

Väriainekennot

Väriaineherkistettyjen paneelien etuina ovat edullisuus, valmistuksen helppous ja materiaaliresurssien runsaus.

Niin sanotut Grätzel-kennot perustuvat molekylaariseen musteeseen, joka absorboi auringonvaloa ja muuntaa sen sähköksi vähän samaan tapaan kuin klorofylli kasveissa. Mutta tyypillisesti ne eivät kestä kovin pitkään koska niihin syntyy helposti nestemäisen elektrolyytin vuotoja tai kennon korroosiota.

Kiinteämpi elektrolyytti

Northwestern Universityn tutkijat ovat kehittäneet elektrolyytiksi materiaalin joka on aluksi nestemäinen mutta muuttuu myöhemmin kiinteäksi massaksi.

Tekniikalla on saavutettu noin kymmenen prosentin muunnostehokkuus, mikä vastaa parhaita perinteisemmin toteutettuja Grätzel-kennoja.

Toisin kuin Gratzel-kennossa uusi aurinkokenno käyttää sekä n- ja p-tyypin puolijohteita että monokerros mustemolekyylejä palvelemassa näiden kahden välisenä liitoksena.

Teknisesti se ei ole Grätzel-kenno koska sen aukkoja kuljettava CsSnl3-materiaali on itsessään valoa absorboiva. Materiaali jopa absorboi valoa palon laajemmalta näkyvän valon spektriltä kuin tyypillinen Grätzel-muste.

EPFL:n tutkijat ovat myös kehittäneet kiinteärakenteisen version väriaineherkistetystä kennosta, joka nostaa näiden laitteiden muunnostehokkuuden 15 prosenttiin.

Uusi kiinteä DSSC-ilmentymä käyttää pervoskiittiä valon kerääjänä ja orgaanisena aukkojen kuljettajamateriaalina korvatakseen kennon elektrolyytin.

Monenlaisia parannuskeinoja

Väriaineherkistetyt aurinkopaneelit muuntavat tällä hetkellä noin 11-12 prosenttia niihin osuvasta auringonvalosta sähköksi mutta tutkijoilla on tavoitteena 20 prosentin muunnostehokkuus.

Erään tutkijaryhmän tavoite on saada valogeneroitujen elektronien hajanainen ja hävikkiä tuottava liike virtaviivaisemmaksi hiilinanoputkien avulla sekä ylläpitää tämä vuo sijoittamalla materiaali elektrolyyttiperustaan.

KTH Royal Institute of Technologyn tutkijat kehittivät puolestaan lähes nestemäisen polymeeripohjaisen elektrolyytin, joka lisää kennon jännitettä ja virtaa sekä pienentää elektrodien välistä resistanssia.

Kanadalaisen University of Albertan tutkijat ovat onnistuneet syntetisoimaan kolloidiseen seokseen puolijohtavia sinkkifosfidisia nanokiteitä. Musteeseen sekoitettuna ne tarjoavat suoran optisen 1,5 elektronivoltin aukon, mikä on lähes ihanteellinen absorboimaan valoa auringon spektrin kaikilla aallonpituuksilla.

Monissa väriaineherkistetyissä aurinkokennoissa yksi tärkein ainesosa on kallis platina.

Michigan Technological Universityn tutkijat ovat keksineet käyttää platinan sijaan kolmiulotteista grafeenia. Kemiallisen reaktion avulla tuotetulla 3D-grafeenilla on erinomainen johtavuus ja korkea katalyyttinen aktiivisuus.

Hybridi

Nanyang Technological Universityn (NTU) tutkijoiden tähtäimessä ovat seuraavan sukupolven aurinkokennot, jotka on valmistettu orgaanisen ja epäorgaanisen hybridistä perovskiitti-materiaalista. Se on noin viisi kertaa halvempaa kuin nykyisten ohutkalvoisten kennojen materiaali.

Materiaali on tunnettu jo entuudestaan kohtalaiseksi (15%) valosähkö muuttajaksi mutta sitä ei tarkkaan tiedetty miksi.

Tutkittaessa havaittiin että perovskiittimateriaaleissa, auringon kehittämät elektronit voivat liikkua varsin pitkiä matkoja. Tämä mahdollistaa tehdä paksumpia kennoja, jotka absorboivat enemmän valoa. Tästä innostuneena tutkijat uskovat näillä saavutettavan jopa 20 prosentin muunnossuhteita.

Lehtivihreää nanofotoniikan sovelluksiin

Aalto-yliopiston ja Helsingin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet nanorakenteita, joissa yhdistetään klorofyllejä synteettisiin materiaaleihin. Klorofylli absorboi sinisen ja punaisen värin aallonpituuksia auringon valosta hyvällä hyötysuhteella.

Muokattujen klorofyllien ominaisuuksia voidaan hallita säätämällä pigmenttien ainemääriä ja konsentraatioita polymeerimatriisissa.

Tällaisen ratkaisun etuja ovat rakenteellinen monipuolisuus, edullinen hinta, valmistuksen helppous ja herkkyys valoärsykkeille. Molekyylien sijoittelua voidaan optimoida siten, että mahdollisimman suuri osa valon virityksestä saadaan kerättyä talteen.

Kvantti-ilmiöitä

North Dakota State Universityn ja University of South Dakotan tutkijat etsivät laskennallisella kemian mallinnuksella arviota siitä, minkä tyyppisellä nanomateriaalilla olisi parhaat sähköiset ja optiset ominaisuudet keräämään valoenergiaa tulevissa aurinkokennoissa; kvanttipiste, yksiulotteinen ketju kvanttipisteitä vai nanolanka.

Tutkijoiden mukaan amorfisia kvanttipisteitä ryhmäksi laittaen tai sulauttaen ne nanolankaan ovat parhaat tavat maksimoida pii nanomateriaalien tehokkuus absorboimaan valoa ja kuljettamaan varauksia läpi valosähköisen järjestelmän.

Eräs tutkijaryhmä on puolestaan osoittanut, että varattujen kvanttipisteiden (Quantum Dots with Built-In-Charge, Q-BIC) upottaminen osaksi aurinkokennoja voi parantaa sähkön antotehoa mahdollistamalla kennojen kerätä infrapunavaloa ja lisäämällä valoelektronien käyttöikää.

Tehokas valoemissio piikvanttipisteistä

Myös piistä valmistetut kvanttipisteet voivat osoittautua sopiviksi käytettäväksi tulevaisuuden aurinkosähkösovelluksissa. Pii on myrkytön, biologisesti yhteensopiva ja erittäin runsas materiaali mutta sen heikko kohta on epäsuora energiarako.

Amsterdamin, Wageningenin ja Twente yliopistojen tutkijat kertoivat alkuvuodesta löytäneensä keinon parantaa piikvanttipisteiden optisia ominaisuuksia.

He osoittivat sekä teoreettisesti että kokeellisesti, että piikvanttipisteiden pintakemiaa voidaan manipuloida hiilipinnoituksella siten, että se johtaa suoraan kaistaeroon.

Plasmoniikka avuksi

Myös metallien ja puolijohteiden rajapinnoissa esiintyviä plasmonisia ilmiöitä tutkitaan aurinkoenergiatekniikan tehostamiseksi.

Esimerkiksi Kalifornian yliopiston Santa Barbaran tutkijat hyödyntävät pintaplasmoniikkaa aurinkoenergialla tapahtuvan vedyn tuoton toteuttamiseksi.

Orgaanisten aurinkokennojen heikkoa optista absorbointia tehostaakseen monet tutkijat ovat sisällyttämässä metallisia nanopartikkeleita ja/tai kuvioituja plasmonisia nanorakenteita orgaanisiin valosähköisiin kennoihin.

Etelä-Korealaisen Ulsan National Institute of Science and Technologyn (UNIST) tutkijat ovat näin saavuttaneet lähes yhdeksän prosentin muunnoshyötysuhteen polymeerikennoille.

Plasmonisia keruumenetelmiä

University of Pennsylvanian tutkijat ovat paneutuneet plasmonisiin nanorakenteisiin jotka koostuvat kultahiukkasista ja valoherkistä porphyin-molekyyleistä.

Tutkijat osoittivat, että plasmonisista hiukkasista voidaan kerätä yleensä haitallisia kuumia elektroneja ja ohjata ne molekyylielektroniseen laiteeseen, joka edustaa uutta siirtomekanismia valosta sähköksi. Mittauksissa havaittiin tehokkuuden paranemista kolmesta kymmeneen kertaisesti verrattuna perinteisiin fotovirittymisen tiloihin.

Espanjalaisessa Instituto de Energía Solarissa (IES) toiminut tutkijaryhmä on esittänyt tavan lisätä kvanttipisteisiin absorboituvan valon määrää kytkemällä ne lokalisoituihin plasmoneihin ilmiötä vahvistavilla metallisilla nanohiukkasilla.

Tekniikkaa voitaisiin käyttää parantamaan erityisesti ns välikaistalla toimivia aurinkokennojen (intermediate band solar cells, IBSC) suorituskykyä. IBSC-rakenteet koostuvat kvanttipisteiden ryhmistä, jotka mahdollistavat fotonien, joiden energia on alle vastaanottavan puolijohteen kaistaeron tuottaa valovirtaa.

Tällaisten aurinkokennojen valmistus tukeutuisi liuosperustaisiin nanopartikkeleihin. IES:n tutkijat kehittivätkin menetelmän saostaa kolloidisia metallinanohiukkasia ja kvanttikaivoja, jotka voivat itsejärjestyä hybridiryhmiksi.

Grafeeni ja muut yksiulotteiset

Manchesterin yliopiston ja National University of Singaporen tutkijat ovat yhdistäneet grafeenin kanssa muita yksiulotteisia materiaaleja.

Yhdistämällä grafeenia puolijohtavien WS2, WSe2 ja MoS2 -kerrosten (transition metal dichalcogenides, TMDC) kanssa saatiin luotua erittäin herkkiä ja tehokkaita fotosähköisiä rakenteita.

TMDC-kerrokset ovat kahden grafeenikerroksen välissä, jolloin niissä yhdistyy molempien ominaisuuksia. TMDC-kerrokset ovat hyvin tehokkaita valon absorboijia ja grafeeni toimii läpinäkyvänä johtavana kerroksena.

Jo aiemmin eräs tutkijaryhmä havaitsi, että grafeeni kykenee muuttamaan yksittäisen fotonin useaksi elektroniksi. Grafeeni on kuitenkin huono absorboimaan valoa, vaikkakin tekee sitä puolijohteista poiketen laajalla spektrillä.

Muutamassa tutkimuksessa on raportoitu edullisesta tavasta parantaa kiteisten piikennojen tehokkuutta soveltamalla siihen ohutta, sileää hiilinanoputkien kalvoa.

Eräs yllätys näissä töissä oli, että yksikiteisen piin hyvät valosähköiset ominaisuudet voidaan toteuttaa yksinkertaisella, alhaisen lämpötilan prosessilla.

Kerrokselliset oksidit

Yksittäisiä atomikerroksia yhdistettäessä voidaan luoda uusia materiaaleja, joilla on täysin uusia ominaisuuksia. Eräs tällainen materiaaliluokka on kerrokselliset oksidiheterorakenteet.

Wienin teknillisessä yliopistossa toiminut tutkijaryhmä on tietokonesimulaatiolla osoittanut, että näitä materiaaleja kerrostamalla voidaan luoda erittäin tehokkaita ja ultra-ohuita aurinkokennoja.

Näiden materiaalien ratkaiseva etu on, että mikroskooppisessa mittakaavassa, niiden sisällä on sähkökenttä, joka erottaa elektronit ja aukot toisistaan. Toisaalta vaikka oksidit ovat eristeitä niin, kahden sopivan eristeen pinoaminen muuttaa materiaalin pinnat metallimaisiksi sähköjohteiksi.

Näin voidaan kätevästi kerätä sekä varauksenkuljettajia että luoda virtapiiri. Kenno ei siten tarvitse pinnalleen keruujohtimia. Lisäksi oksidisia heterorakenteita voidaan hienosäätää valon eri väreille valitsemalla sopivia alkuaineita.

Aurinkokenno nanolangoista

Monet tutkijat uskovat, että sopivista nanolangoista valmistettu aurinkokenno voi kaapata suuria määriä valoa ja tuottaa energiaa suuria määriä nykyistä edullisemmin kustannuksin.

Esimerkiksi EPFL:n tutkijat ovat tehneet nanolankoja gallium-arseenista, joka kerää paremmin auringon valoa kuin pii. Havaittiin, että nanolangat keräävät enemmän valoa kuin tavallinen tasainen aurinkokenno. Vaikka lanka on vain muutaman sata nanometriä halkaisijaltaan, se absorboi valo kuin se olisi 12 kertaa kookkaampi.

Tutkijoiden kehittämä rakenne saavutti lähes 10 prosentin muunnoshyötysuhteen ja he uskovat, että järjestetty nanolankaryhmä voisi tuottaa jopa 33 prosenttisen muunnossuhteen. Nanolankaryhmä käyttää myös 10 000 kertaa vähemmän tätä kallista materiaalia kuin perinteinen ratkaisu.

Irrota ja liimaa aurinkokennoja

Vuoden 2012 lopulla Stanfordin tutkijat esittelivät kehittämiään maailman ensimmäisiä ohutkalvoisia irrota-ja-liimaa aurinkokennoja. Normaalisti ohutkalvoiset aurinkokennot, valmistetaan suoraan lopulliselle alustalle.

Saavutuksen mahdollistava kaupallisesti lähes valmis valmistusprosessi perustuu kerrostamiseen. Ensin pii/piidioksidikiekolle saostetaan kerros nikkeliä, jonka päälle valmistetaan ohutkalvokenno tavanomaisella valmistustekniikalla. Se peitetään suojaavalla polymeerillä ja päälle kiinnitetään irrotusteippi.

Sitten kiekko upotetaan veteen ja hieman reunasta avittaen vesi tunkeutuu nikkelin ja piidioksidin rajapintaan, jolloin kenno teippeineen vapautuu alusta. Lyhyen lämpökäsittelyn avulla kenno viimeistellään käytettäväksi lähes mihin tahansa pintaan kaksipuolisella teipillä tai muulla liimalla.

Prosessissa ei synny mitään jätettä ja myös piikiekko on tyypillisesti ehjä ja valmis käytettäväksi uudelleen.

Kehitetään sopiva materiaali

Koska olemassa olevat tekniikat ovat tulossa ​​fysiikan lakien rajoille, aurinkokennojen tehostamiseen on haettu apua materiaalitutkijoilta.

Pennsylvanian ja Drexelin yliopistojen tutkijat ovat kokeellisesti demonstroineet uuden paradigman aurinkokennojen rakenteesta. Se voi tehdä kennoista vähemmän kalliita, helpompia valmistaa ja tehokkaampia.

Aurinkokennossa tarvitaan polaarisuutta, joka antaa virralle suunnan, joten ne on valmistettu kahdesta eri materiaalista.

On olemassa pieni materiaaliluokka, jossa valon vaikutuksesta, elektroni lähtee yhteen tiettyyn suuntaan. Ilmiö on entuudestaan tunnettu mutta sen toiminta on osoitettu vain ultraviolettivalolla.

Jos löytyisi materiaali, jossa ilmiö tapahtuu näkyvällä valolla, niin aurinkokennon voisi rakentaa paljon yksinkertaisemmin. Lisäksi se voisi kiertää rajapintakennojen heikkouden, joka tunnetaan Shockley-Queisser rajana, jossa osa fotonien energiasta menetetään kun elektronit odottavat tehdäkseen hypyn yhdestä materiaalista toiseen.

Materiaalitutkijoiden haaste oli tunnistaa materiaaleja, jotka voisivat pitää yllä napa-ominaisuudet samalla kun absorboivat näkyvää valoa.

Teoreettiset laskelmat osoittivat materiaaliperheeseen, joissa nämä usein toisensa poissulkevien ominaisuuksien yhdistelmä voisi itse asiassa olla jo olemassa. Tämä rakenne tunnetaan perovskiitti-kiteenä.

Useiden epäonnistumisien jälkeen saatiin aikaan konkreettiset perovskiitti- kiteet, joissa kalium, niobaatti sekä barium ja nikkeli osaltaan muokkaavat lopullisen energiaraon.

Kokonaisuudessa materiaaliperhe kattaa koko auringon spektrin. Kasvatusvaiheessa lisäaineiden osamäärien sovituksella voi tuottaa yksittäisen materiaalin, joka toimii kuten usean liitoksen aurinkokenno.

vai löydetäänkö uutta fysiikkaa

Eräs teoreettinen prosessi, joka voi mullistaa aurinkoenergian keräämisen, on myös tänä vuonna vakuuttavasti osoitettu.

Kun fotoni absorboituu aurinkokennoon se luo yhden elektronivirityksen, joka sitten valon energiasta riippumatta erotetaan elektroniksi ja aukoksi. Yksi tapa parantaa tehokkuutta olisi jakaa näkyvän kaistan fotoneista saatavilla oleva energia kahdeksi, mikä johtaa kennon virran kaksinkertaistumiseen.

Cambridgen ja Monsin yliopistoissa on tutkittu prosessia, jossa alkuperäinen sähköinen heräte voidaan jakaa puolienergisien eksitonien pariksi. Tämä voi tapahtua tietyissä orgaanisissa molekyyleissä, kun elektronin spinin kvanttimekaaninen vaikutus asettaa alkuperäisen spinien singletti-tilan kahdeksi tripletti-virittyneeksi tilaksi.

Tutkimus osoitti, että tämä jakautumisen prosessi riippuu hyvin herkästi molekyylien välisestä vuorovaikutuksesta. Ensimmäistä kertaa esiin saatua ilmiötä tutkittiin nesteessä ja erityisillä lasertutkimuslaitteilla.

Vaikka työ on aiheen perustutkimusta se tutkijoiden mielestä osoittaa, että singletti-fission käyttö on erittäin lupaava tapa parantaa aurinkokennojen tehokkuutta edullisilla materiaaleilla. Kyseessä olisi myös tapa kiertää Shockley-Queisser -raja yksiliitoksisissa aurinkokennoissa.

Kiderakenteen muokkausta

Indium-galliumnitridin kiderakenne on muun muassa ledien perusta. Ne kasvatetaan kerroksittain safiirisubstraateille mutta kerrosten väliset atomitasot vaihtelevat sen verran, että rakenteeseen syntyy jännityksiä ja katkoksia sekä vaihteluja seoksen kemialliseen koostumukseen.

Arizona State Universityn ja Georgia Institute of Technologyn yhteinen tutkijaryhmä on kehittänyt tavan kasvattaa InGaN-kiderakenteita, jossa ei esiinny jännityksiä ja hilarakenteet sopivat yhteen.

Saavutus tarkoittaa, että ledeistä ja aurinkokennoista voidaan kehittää aiempaa tehokkaampia. Se saattaa myös tuoda III-nitridit kaupallisiin aurinkokennoihin.

MIT:n insinöörit ovat puolestaan tutkineet mahdollisuutta hyödyntää materiaalihilan venytystä tarkoituksena laajentaa aurinkokennojen absorption spektriä.

Tutkijat mallinsivat yhden molekyylin paksuista molybdeenidisulfidia (MoS2) siten, että siihen syntyy kaareva keksikohtaan kohti kasvava venytys. Näin muuttuva jännitys muuttaa atomien rakennetta niin, että se "virittää" materiaalin eri osia valon eri aallonpituuksille.

MoS2 on ohutkalvona luonnollinen puolijohde. Tutkijat venyttivät sitä 0:sta 9 prosenttiin ja ennakoivat, että se silloin kykenisi absorboimaan auringon spektriä välillä 2,0 - 1,1 elektronivolttia.

Lisäksi suppilomaisesti venyvän materiaalin elektroniset ominaisuudet johtavat elektroni-aukkoparit tehokkaasti kalvon keskustaan eräänlaiseen keräyspisteeseen, mikä vähentää nykyisissä kennoissa esiintyvää diffuusioprosessia eli venytys tehostaisi varausten keräämistä myös tätä kautta.

Auringon sähkömagneettista säteilyä keräten

University of Connecticutissa kehitetty valmistustekniikka voisi puolestaan edistää auringon sähkömagneettista säteilyä hyödyntävälle aurinkokennotekniikalle.

Tekniikka perustuu nanokokoisiin antenneihin, jotka kykenevät teoriassa keräämään yli 70 prosenttia auringon sähkömagneettisesta säteilystä ja samalla muuntamaan sen tasasähköksi.

Tällaiset nanoantennit tunnetaan nimellä "rectennas" ja ne absorboivat aurinkoenergiaa ja tasasuuntaavat vaihtovirran tasavirraksi. Niiden on kuitenkin toimittava näkyvän valon taajuuksilla joten diodin elektrodit ovat vain 1 - 2 nanometrin etäisyydellä toisistaan.

Tutkijoiden kehittämällä valmistustekniikalla voi luoda tunnelidiodeja joiden elektrodit ovat vain 1,5 nanometrin päässä toisistaan. Näin pienellä ja nopealla tunnelidiodilla pystyy muuntamaan jopa infrapuna-alueen sähkömagneettista säteilyä tasavirraksi.

Myös lämpösäteily töihin

Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) tutkijat ovat kehittämässä aurinkosähkötekniikkaa jossa käytetään lämpösähköisiä elementtejä ilman peilejä mikä tekee menetelmästä yksinkertaisemman ja edullisemman.

Ajatus on estää lämmön pois johtuminen lämpösähköisestä materiaalista. Tutkijoiden mukaan tässä olisi uusi vaihtoehto peilikeskittäville aurinkoenergiaratkaisuille.

Lämpöfotosähköinen (TPV) tekniikka tuottaa puolestaan lämmöstä fotonien kautta sähköä. Tällainen laite koostuu termisestä emitteristä ja valosähköisestä diodista.

Aurinkokenno on periaatteessa vastaava rakenne sillä sen emitterinä toimii aurinko. TPV-tekniikkaa onkin suunniteltu täydentämään aurinkokennon keräämän valon spektriä.

TPV-tekniikan teoreettinen höytysuhde olisi jopa 80 prosenttia mutta nykyisin on päästy vain noin 8 prosenttiin koska ei ole emittereitä, jotka sietäisivät piidiodien tehokkainta aluetta hyödyntäviä lämpötiloja. Lämpöä sietävän emitterin tarkoitus on muuntaa auringon lämpösäteilyä infrapunavaloksi.

Stanfordin, Illinois-Urbana Champaign ja North Carolina State yliopistojen lokakuussa esitellyssä projektissa on kehitetty lämpöemitteri, joka toimii jopa 1400 Celsius-asteessa. Tähän on päästy päällystämällä volframiemitterit keraamisella hafniumdioksidilla.

Auringonkukkia ja kaalimatoja

North Carolina State Universityn tutkivat kasvattivat germanium-rikkivety (GeS) -puolijohteesta kukan kaltaisia ​​rakenteita. Kukalla on erittäin ohuet terälehdet ja suuri sen pinta-ala ennakoi niille käyttöä seuraavan sukupolven energian varastointilaitteissa ja aurinkokennoissa.

GeS on hieman samanlaista kuin grafiitti, joka asettuu siististi kerroksittain tai arkeiksi. Eroa on siinä, että sen atomirakenne tekee siitä erittäin hyvän absorboimaan auringon energiaa ja muuntamaan sen käyttökelpoiseksi tehoksi. Lisäksi GeS on suhteellisen halpa ja myrkytön.

Georgia Institute of Technologyn tutkijat ovat puolestaan kehittäneet kolmiulotteisen monikerroksisen ZnO-nanolankojen ryhmän, jolla on karvaista kaalimatoa muistuttava rakenne.

Tämän musteherkistetyn aurinkokennon erikoinen rakenne kasvattaa ZnO-nanolankojen pinta-alaa ja tutkijat ovatkin saavuttaneet rakenteella yli viiden prosentin muunnostehokkuuksia.

Kaliforniassa on kehitetty aurinkokennon arkkitehtuuri (screening-engineered field-effect photovoltaics (SFPV), joka periaatteessa mahdollistaa edullisten ja tehokkaiden aurinkokennojen valmistuksen käytännössä miltei mistä tahansa puolijohteesta kuten myös lupaavista mutta hankalista seostettavista metallioksideista, sulfideista ja fosfideista.

Kuitumaisia aurinkokennoja

Penn State Universityssä ryhmä kemistejä, fyysikoita ja insinöörejä kehitti viime vuoden lopulla monta metriä pitkän piipohjaisen optisen kuidun, jolla on aurinkokenno-ominaisuuksia.

Tutkimus avaa oven mahdollisuudelle kutoa joustava aurinkokennokangas piilangoista. Kuitumainen aurinkokenno ottaa säteilyä vastaa laajemmalla kulmalla kuin tasainen kenno.

Aurinkosähköakku

University of Texas at Arlingtonin materiaalitieteen professori Fuqiang Liu on kehittämässä menetelmää, jossa hyödynnetään puolijohteita keinotekoisen fotosynteesin prosessissa. Siinä auringonvalon puolijohteissa tuottamat elektronit ja aukot reagoivat valosähkökemiallisesti vanadium- tai cerium-ionien kanssa ja ne joko lisäävät tai menettävät elektroneita vastaavalla tavalla kuin akku.

Siten prosessi varastoi aurinkoenergiaa ja varauksen purku tuottaa sähköä.

Nykyisiin järjestelmiin verrattuna tutkijat uskovat voivansa lisätä aurinkoenergian saantoa kymmenkertaisesti ja parantaa hyötysuhdetta vähintään nelinkertaisesti.

Väärin kytketty

Tampereen teknillisellä yliopistolla syksyllä 2012 väitellyt Juha Huusarin mukaan useimmalla alan tutkijoista ja insinööreistä on väärä lähestymistapa tarkasteltaessa aurinkopaneelin liittämistä sähköverkkoon.

Väitöskirjassaan Huusari osoittaa, että oletettaessa aurinkopaneeli vakiojännitelähteeksi, saadut tulokset ja johtopäätökset eivät pidä enää paikkaansa käytännön sovelluksissa.

Johtopäätöksenä hän esittää, että kun aurinkopaneelin ajatellaan olevan pohjimmiltaan virtalähde, joskin hyvin epälineaarinen, voidaan liitäntäjärjestelmä suunnitella ja toteuttaa luotettavasti.

Joulukuu 2013