Aurinkoa ja lämpöä

Aurinkokenno on paljon käytetty ja tutkittu uusiutuvan energiatekniikan laitteistotekniikka.Vahva kiinnostus uusiutuvaan energiatuotantoon tuo kuitenkin jatkuvasti esiin uusia tapoja hyödyntää auringon valoa ja lämpöä.

Aurinkokenno väärin päin

Vaikka ajatus on melko takaperoinen, käänteiset aurinkokennojärjestelmät voivat myös tuottaa sähköenergiaa mutta emittoiden fotoneja eikä niinkään niitä absorboiden.

Tällaiset lämpösäteilevät (Thermoradiative, TR) kennot generoivat jännitettä ja sähkötehoa infrapunafotonien epätasapainoisen lämpösäteilyn kautta.

Kun kennoa tarkoituksella lämmitetään ympäristöään kuumemmaksi sen emissionopeus kasvaa. Tämä prosessi luo pn-liitokseen potentiaalieron, joskin vastakkaisen kuin valovirittyneessä aurinkokennossa.

Lämpösäteilevät kennot tarjoavat siten mahdollisuuden tuottaa puhdasta energiaa keräämällä säteilyä pääosin hyödyntämättömistä maanpäällisistä lämmönlähteistä.

Niiden tehokkuus ei ole kovin kummoinen mutta MIT:n tutkijat ovat ehdottaneet uutta tapaa parantaa termosäteilevien kennojen tehokkuutta ja samanaikaisesti lisätä energiantuotannon osuutta.

Raportissaan tutkijat ennustavat, että lämpösäteilevät koneet, joilla on kapeakaistaiset emissiospektrit voivat tarjota paljon suuremman tehokkuuden energian muuntamisen prosessiin kuin aurinkokennot.

Tämä teknologinen läpimurto saavutettiin analysoimalla ja vertaamalla aurinko- ja lämpösäteilyn sekä lämmön johtumisen entropiasisältöä. Entropia on mitta "hyödyttömälle" lämpöenergialle, jota ei voida muuttaa joko mekaaniseksi työksi tai sähköksi. Kun kone lämpötilassa T vastaanottaa energiaa (I) ulkoisesta lähteestä se saa myös entropiaa (S).Samoin, koska entropiaa ei voida muuntaa hyödylliseksi työksi, se on poistettava koneesta, joka johtaa myös energian menetykseen, mikä rajoittaa koneen tehokkuutta.

MIT:n tutkijat päättelivät, että ihanteellisen koneen pitäisi siten saada energia muodossa, joka kuljettaa alinta mahdollista entropiasisältöä ja dumpata entropia muodossa, joka vie mennessään eniten entropiasisältöä.

Tällöin ihanteellisesta termosäteilevästä kennosta tulisi erinomainen ehdokas korkean hyötysuhteen koneeksi kun se vastaanottaa energian lämmön johtumisen kautta ja dumppaa entropian säteilyn kautta, joka kantaa suurempaa entropiapitoisuutta kuin johtuminen. Sen sijaan niiden koneiden tehokkuus, jotka saavat energian laajakaistaisen säteilyn muodossa, kuten esimerkiksi aurinkosähkökennot, on rajoittunut johtuen aurinkoenergian korkeasta entropiapitoisuudesta.

Analysoimalla laajakaistaisen lämpösäteilyn eri spektrin osia MIT:n ryhmä osoitti, että vähäenergiset fotonit kuljettavat paljon suurempaa entropiaa per yksikköenergia kuin joko korkean taajuuden fotonit tai lämmön johtuminen.Tämä johti heidät siihen tulokseen, että TR kennon tehokkuutta voidaan merkittävästi parantaa, jos kenno emittoi säteilevää energiaa vain kapean taajuuskaistan kautta aivan sen sähköisen kaistaeron yläpuolella.

MIT Tutkijat ennustivat, että tässä tilanteessa, ihanteellisen TR-kennon tehokkuus voi saavuttaa Carnot-tehokkuuden rajan, joka ylittää huomattavasti samasta materiaalista valmistetun ihanteellisen aurinkosähkökennon hyötysuhderajan.

Tehokkuutta tehostaen

Ihannetapauksessa koneen pitäisi tarjota korkea hyötysuhde ja korkea tehotiheys. Kuitenkin toiminta minkä tahansa koneen tehokkuusraja saavutetaan tyypillisesti, kun teho uutetaan äärettömän hitaasti.

Kun kyseessä on tavanomainen aurinkokenno, tämä tarkoittaa PV-kennon käyttöä avoimen tai lähellä avoimen piirin jännitettä, mikä johtaa vähäiseen sähköntuotantoon. Samoin lämpösäteilevän kennon maksimi tehon generointi ei tapahdu kennon korkeimmalla hyötysuhteen pisteessä, mikä pakottaa tekemään kompromisseja tehokkuuden ja tehotiheyden välillä.

Vastatakseen tähän haasteeseen, MIT:n ryhmä osoitti, että ei ainoastaan hyötysuhdetta, mutta myös TR-kennon sähkön generoinnin tiheyttä voidaan lisätä lähikenttäfotoneja uuttamalla.

Lähikentän fotonien poiston järjestelyssä TR-kenno on integroitu jäähdytyslevyyn, joka on erotettu kennosta nanomittaisella raolla. Jos jäähdytyselementin materiaali tukee sähkömagneettisia pintamuotoja, säteilevää fotonivuota TR-kennosta jäähdytyselementtiin voidaan parantaa dramaattisesti, mikä tarkoittaa suurta sähköntuotannon tiheyttä.

Tämä työ tarjoaa oivalluksia kehittää korkean hyötysuhteen energiamuunninta ja tasoittaa tietä tehokkaasti hyödyntää maanpäällistä termistä emissiota puhtaan uusiutuvan energian tuotantoon.

Kolmannen sukupolven aurinkokennot

Perinteisissä oikein päin toimivissa aurinkokennoissa on tulossa jo kolmannen polven kennot. Tällä viitataan mahdollisuuteen nykyistä tehokkaampiin sekä uusiin edullisempiin materiaaleihin perustuviin kennoihin.

Niihin lasketaan kuuluviksi väriaineherkistetyt (DSSC), orgaanisen aurinkosähkön (OPV) ja kvanttipistekennojen lisäksi perovskiittiset aurinkokennot.Erityisesti perovskiittiset aurinkokennot ovat varsin lyhyessä ajassa kasvattaneet muunnostehokkuutensa 2 - 3 prosentista yli 20 prosenttiin.

Aurinkokennot perovskiitistä

Perovskiittiä käytetään aurinkokennon valoa absorboivana kerroksena ja sillä on varsin laaja absorptiospektri. Myös varauksenkuljettajat liikkuvat siinä suhteellisen pitkän matkan, jolloin valon generoimat elektronit elävät tarpeeksi kauan muuttuakseen lämmön sijasta sähkövirraksi.

Suuri etu perovskiittisillä aurinkokennoilla tavanomaisiin tekniikoihin verrattuna on, että ne voivat reagoida erilaisiin valon aallonpituuksiin. Kokonaisuudessa tällä materiaaliperheellä voidaan kattaa koko auringon spektri. Lisäksi ne tarjoavat joustavuutta, osittaista läpinäkyvyyttä, räätälöityjä muotoja ja keveyttä. Huolimatta suurista mahdollisuuksista, perovskiittisten aurinkokennojen tekniikka on vielä kaupallistamisen alkuvaiheessa.

Yksi ongelma on niiden kokonaiskustannukset sillä monesti niissä käytetään kalliita elektrodeja. Perovskiittiset kennot heikkenevät myös nopeasti kosteuden vaikutuksesta ja hajoamistuotteiden iskiessä metallielektrodeihin. Tehokas kapselointi suojella perovskiittiä kuitenkin lisäisi kennon kustannuksia ja painoa.

Lisää tehokkuutta ja edullisuutta

Useimmat perovskiittikennot ovat perustuneet metyyliammoniumin ollessa keskeinen osa absorberia mutta monet tutkijat ovat paneutuneet uudenlaisiin Hybrid Organic Inorganic Perovskites (HOIP) ainesosiin.

Perovskiittiä on ryhdytty myös yhdistämään muihin tekniikoihin, kuten piihin. Näin saadaan aikaan "tandem-kennoja", jossa kahden eri tekniikan edut käytetään luomaan tehokkaampia kennoja.

Korkeamman energian valo voisi absorboitua perovskiittiseen pintakerrokseen, kun taas vähempienerginen auringonvalo perovskiitin läpi kulkien voi imeytyä piikerroksenRyhmä, jota johti perovskiittisten aurinkokennon edelläkävijä Henry Snaith Oxfordin yliopistosta, on äskettäin osoittanut yhdessä Helmholtz-Zentrum Berlinin tutkijoiden kanssa, että 30 prosentin hyötysuhde olisi saavutettavissa tandem-kennolla. Rakenteen teoreettisen raja on noin 44 prosenttia.

Musteherkät aurinkokennot

Alkuun (Dye-Sensitized Solar Cell) DSSC-kennot koostuivat puolijohteesta, jotka muodostivat valoherkän anodin ja elektrolyytin välille valosähkökemiallisen järjestelmän.Sellainen on helppo ja halpa valmistaa vaikka mukaan tarvitaan kalliitakin materiaaleja.

Vuotavasta elektrolyytistä johtuen käyttöikä jäi vähäiseksi mutta sittemmin on kehitetty kiinteän elektrolyytin versioita, joiden muunnostehokkuudet nousevat jopa 15 prosentin tasolle.

Uusin kehityslinja näissäkin on ottanut käyttöön perovskiitin ja näin syntyneitä versioita kutsutaan hybideiksi aurinkokennoiksi.

Muovikennot

Polymeerien muuntotehokkuutta parantaakseen, Yalen yliopistossa toiminut tutkimusryhmä kokosi 2016 aurinkokennon aktiivisen kerroksen useista materiaaleista. Se on lähestymistapa, joka tuo omat ongelmansa, jotka ovat ristiriidassa sen elektronien kuljetuksessa kennoihin.

Mutta Yalen ratkaisuna tutkittiin Förster resonanssista energiasiirtoa (Förster resonance energy transfer, FRET), prosessia, jossa energia siirtyy lähekkäisten molekyylien välillä. FRET on keskeinen osa sitä miten kasvisolut käsittelevät energiaa. Uusimmassa saavutuksessa Yalen tutkijoiden neljä komponentin FRET-pohjainen arkkitehtuuri osoittaa 10,7 muunnosprosenttia.

Olisiko kvanttipisteistä tehostajiksi

Kvanttipisteiden tutkiminen aurinkoenergian parissa on tuottanut 10 - 11 prosentin muunnostehokkuuksia.

Erityisesti kolloidisilla kvanttipisteillä on suuri potentiaali valosähkön ja valoilmaisun sovelluksissa. Niiden sähköisiä ja optisia ominaisuuksia voidaan helposti säädellä kvanttikoon vaikutuksen kautta.

Lisäksi ne ovat liuossyntesoituja tai prosessoituja puolijohteisia nanokiteitä. Siten ne ovat erittäin houkuttelevia sovellettavaksi edullisissa, korkean hyötysuhteen aurinkokennoissa ja kykenevät keräämään laajasti auringon spektriä yli Shockley-Queisser rajan.

Tämä on seurausta tandemisesta tai usean liitoksen strategista ja niiden lupauksesta useiden eksitonien generoinnista. Normaalien aurinkokennojen tehokkuuden yläraja on noin 33 prosenttia. Esimerkiksi Lundin yliopiston tutkijat näkevät mahdollisuuden nostaa tämä raja yli 40 prosentin kvanttipisteiden avulla.

Hybridi luo aurinkosähköä paremmin

Northwestern Universityn tutkijat ovat onnistuneet yhdistämään kaksiulotteista molybdeenidisulfidin puolijohdetta orgaanisen molekyyli pentaseenin kanssa van der Waals (vdW) heteroliitoksella. Täten he onnistuivat lisäämään varauksenkuljettajien elinikää hybridissä materiaalissa noin kymmenkertaisesti verrattuna pelkästään 2D-materiaaleihin perustuvaan vdW-heteroliitokseen. Syntyneitä pn-liitoksia voitaisiin käyttää tuottamaan parempia aurinkokennoja, valoilmaisimia ja optoelektroniikkaan liittyviä tekniikoita.

Tehokkaita aurinkolämmön absorbereita

Bristolin ja Exeterin yliopistojen tutkijat ovat kehittäneet uuden sukupolven korkean hyötysuhteen aurinkolämpökennoja.

Kehitetty järjestelmä käyttää amorfista hiiltä ohuiden kultakalvojen välissä ylemmän kalvon ollessa kuvioitu 2D periodellisesti matriisiksi. Kolmikerroksinen metapinta absorboi valoa vahvasti koko auringon spektriltä, mutta minimoi rakenteen lämpösäteilyemission.

Tutkimusversion kullan sijasta käytännössä voidaan käyttää tulenkestäviä metalleja kuten volframia tai kromia. Kennoa käytetään auringon lämpöenergian sovelluksissa ja on mahdollista saavuttaa huomattavasti korkeampia lämpötiloja, koska se voi minimoida lämpösäteilyn emissiota.

Tavoitteena on kehittää timanttipohjaisia aurinkotermionista laitteita, jotka käyttävät auringonvaloa tekemään pinnoista niin kuumia, että ne emittoivat elektroneja tyhjiössä. Jos nämä elektronit kerätään jäähdytettyyn anodiin, sähköenergiaa voidaan tuottaa mahdollisimman tehokkaasti, minkä ennustetaan olevan paljon suurempi kuin on saavutettavissa tavanomaisilla piiaurinkokennoilla.

Rajoja rikkoen

Tietyt materiaalit käyvät läpi singlet-fission prosessin, jossa fotonin absorbtio johtaa kahden spin-triplet -virityksen muodostumiseen.

Cambridgen yliopiston johdolla kansainvälinen tiedemiesryhmä tarkkaili, miten yksi fotoni voi muuttua kahdeksi energeettisesti virittyneeksi hiukkaseksi, spin-triplet viritykseksi, singlet-fissio prosessin läpi.

Kyseessä on eräänlainen kvanttifysiikan lomittumisilmiö mutta jos singlet fissiota voitaisiin hallita mikroskooppisellakin tasolla, se voisi mahdollistaa aurinkokennoja kaksinkertaistamaan kerätyn sähkövirran määrän.

Fysiikkaa ja fotosynteesiä

University of California, Riversiden apulaisprofessori Nathan Gabor on yhdistänyt fotosynteesiä ja fysiikkaa tehden löydön, joka voisi auttaa tekemään aurinkokennoista tehokkaampia. Kasvit osaavat jotain, jota aurinkokennot eivät hallitse eli äkilliset aurinkoenergian muutokset. Nämä muutokset aiheuttavat aurinkokennoissa turhaan energiahävikkiä.

Fyysikot tutkivat ongelmaa uudentyyppisellä kvanttilämpökoneeseen perustuvalla valokennolla. Yllättäen havaittiin, että valokenno voisi säädellä aurinkoenergian muuntamista ilman aktiivista takaisinkytkentää tai mukautuvia hallintamekanismeja. Perinteisessä aurinkosähkötekniikassa vaihtelut aurinkoenergiassa on tukahdutettava jännitemuuntimilla ja takaisinkytkennöillä.

Tutkijat vertasivat kahta yksinkertaisinta kvanttimekaanista valokennojärjestelmää: sellaista, jossa valokenno absorboi vain yhden väristä valoa ja toista, jossa valokenno absorboi kahta väriä. Havaittiin, että kaksikanavaisessa ratkaisussa energiavirtauksen sääntely syntyy luonnollisesti valokennon sisällä.

Perustoimintaperiaate on, että yksi kanava absorboi aallonpituudella jolla keskimääräinen ottoteho on suuri, kun taas toinen absorboi pienellä teholla. Valokenno vaihtaa korkean ja matalan tehon välillä muuntaen vaihtelevat aurinkoenergian tasot vakaaksi annoksi.

Pallomainen aurinkoenergian keräin

Saksalainen arkkitehti Andre Broessel uskoo, että hänellä on ratkaisu, joka voi ottaa enemmän irti auringosta, jopa yön tunteina ja vähäisen valon alueilla. Hänen yhtiönsä Rawlemon kehittää pallomaisia aurinkogeneraattoreita.

Hänen tekniikka yhdistää pallomaisen geometrian periaatteita kaksiakseliseen seurantajärjestelmään, jonka avulla kaksinkertaistetaan tavanomaisen aurinkopaneelin tuotto paljon pienemmällä pinta-alalla. Tällainen hybridi kerääjä muuntaa päivittäin sähkö- ja lämpöenergiaa samanaikaisesti jopa 57 prosentin tehokkuudella. Samalla se vähentää piikennon alaa 25 prosenttia vastaavaan tehonantoon nähden käyttämällä pallolinssiä fokusointiin.

Ensimmäinen halkaisijaltaan 180 senttimetrinen kokeiluversio tuotti päivän aikana energiaa 3,4 kilowattituntia. Suunnitteilla on halkaisijaltaan kymmensenttinen versio joka on tarkoitettu kännykän lataajaksi.Yöllä pallolinssin voi muuntua pihavalaisimeksi, joka valaisee lähialuettaan, yksinkertaisesti vain muutamalla ledillä.

Huhtikuu 2017