Aalto-yliopisto ja Tampereen teknillinen yliopisto kehittävät uudenlaisia aurinkokennoja, jotka perustuvat mustaan piihin ja perovskiitteihin, kertoo Aarre arkistoista -juttumme vuodelta 2018.
Lauri Lehtinen
Musta pii tulee nyt vauhdilla aurinkoenergiaan.
Aalto-yliopiston professorin Hele Savinin tutkimusryhmän kehittämät uudet sysimustat aurinkopaneelit ovat edenneet esiteolliseen koesarjaan
ja selättäneet massatuotannon haasteet.
Aalto-yliopiston valmistaman mustan piin salaisuus ovat syvät nanorakenteet, joiden ansiosta kennoihin saadaan optisesti täydellinen, aidosti erittäin musta pinta.
”Teollisuus käyttää jo mustaa piitä, mutta siinä on paljon parantamisen varaa. Sen nanorakenteiden laakea muoto heikentää materiaalin optisia ominaisuuksia eli kykyä vangita valoa.”
”Laakea nanorakenne vaatii toimiakseen erillisen heijastusta estävän kerroksen”, Savin kertoo.
Kun kerros voidaan jättää pois Aalto-yliopiston kennoista, jää pois myös yksi valmistusvaihe, mikä puolestaan laskee tuotantokustannuksia.
Aallon kennot on pinnoitettu ald-menetelmällä eli atomikerroskasvatuksella valmistetulla ohutkalvolla. Se peittää kuivasyövytyksellä tehdyt harjanteet, mikä takaa, etteivät valon synnyttämät elektronit pääse karkaamaan.
Tämä parantaa kennon hyötysuhdetta erityisesti valon sinisessä ja ultravioletissa osassa.
Onnistunut laminointi
Esiteollisessa koesarjassa testattiin muiden prosessiaskelien lisäksi kennojen nanorakenteen kestävyyttä moduulivaiheen laminoinnissa. Siinä piin päälle laminoidaan lasilevy etyylivinyyliasetaatilla. Samalla välistä imetään pois ilma.
Suojaavan lasin liittäminen pinnaltaan monimuotoisen piirakenteen suojaksi oli yksi kriittisistä vaiheista.
Vaikka pii on materiaalina suhteellisen kovaa, teolliset olosuhteet, tärinä ja muut häiriöt olisivat saattaneet tuhota nanorakenteen, joka on kennon toiminnan kannalta oleellinen.
Savinin mukaan huolena oli etenkin se, kuinka hauras rakenne kestäisi robottien käsittelyn.
Huoli osoittautui turhaksi. Kennot ja niistä valmistetut paneelit selvisivät tuotantolinjoilta vahingoittumattomina.
Laminointi tehtiin suomalaisten toimijoiden tehtaissa. Valoe valmisti taustakontaktoidut ja Naps Solar etupinnastaan sähköisesti liitetyt paneelit.
Nanorakenteen piikkiviidakko säilyi kyllin ehjänä, ja myös ilma saatiin pois, eikä rakenteeseen jäänyt näkyviä kuplia.
Tärkeä hyötysuhde
Aallon parhaat paneelit tuottavat sähköä yli 20 prosentin tehokkuudella.
Tutkijat havaitsivat, että mustat kennot sietävät raaka-aineen epäpuhtauksia sinisiä standardikennoja paremmin. Ne myös säilyttävät tehonsa pidempään
Aurinkopaneeleiden hinta on kuluvalla vuosikymmenellä pudonnut dramaattisesti. Kiinalaisille kennoille joitakin vuosia sitten asetetut polkumyyntitullit poistuvat, mutta asian vaikutus järjestelmien kokonaishintaan on maltillinen.
Karkeasti ottaen kennot, elektroniikka ja asennus vastaavat kukin noin kolmasosasta järjestelmän kokonaishinnasta. Jos kennojen hinta laskisi vaikkapa 15 prosenttia, se merkitsisi ainoastaan viittä prosenttia kokonaishinnasta.
”Alalla ei enää mennä paneeleiden hinta edellä, joten hyötysuhteen merkitys on noussut tärkeäksi. Kun järjestelmien käyttöiäksi arvioidaan kolme vuosikymmentä, eliniän aikainen parempi hyötysuhde maksaa pitkällä tähtäimellä itsensä hyvin takaisin”, Savin sanoo.
”Syvien nanorakenteiden valmistaminen on kalliimpaa, mutta alustavat laskelmat osoittavat, että lopputuotteen suurempi teho riittää kompensoimaan eron.”
Aalto-yliopiston kanssa yhteistyötä tekevä Michiganin teknillinen yliopisto on laskenut, että täysin mustan piin kenno voisi olla loppuhinnaltaan jopa kymmenisen prosenttia nykykennoja halvempi.
Yhden työvaiheen poistumisen lisäksi säästöä saataisiin siirtymällä yksikiteisestä monikiteiseen piimateriaaliin.
Sinkkiä titaanin tilalle
Sveitsiläinen kemisti Michael Grätzel kehitti 1990-luvulla uudenlaisen, väriaineherkistetyn aurinkokennon ja käynnisti samalla kennotutkimuksen uuden aallon.
Grätzel-kennojen ydin on titaanidioksidinanopartikkeleista koostuva kerros, johon on kiinnitetty orgaanisia väriaineita.
Kennoissa käytettävät perovskiitit ovat kidemuodoltaan yhteneväisiä aineita, joiden kohdalla tiettyjä alkuaineita voidaan vaihdella keskenään.
Perovskiittikennoissa voitaisiin siis hyödyntää titaanidioksidin sijaan myös muita elektrodimateriaaleja, esimerkiksi sinkkioksidia. Kennojen fotoanodeja olisi helppo valmistaa ympäristölle hellävaraisesti myös suuressa mitassa.
Juuri sinkkioksidi olisi hyvän saatavuutensa vuoksi edullinen vaihtoehto titaanidioksidille, mutta siitä tehdyt kennot eivät ole olleet yhtä tehokkaita.
Tampereen teknillisen yliopiston kemian ja biotekniikan laitoksessa toimiva, professori Nikolai Tkachenkon johtama tutkimusryhmä päätti selvittää, voitaisiinko sinkkioksidikennojen teho nostaa titaanidioksidikennojen tasolle tai jopa paremmaksi.
Lisää tehoa suunnittelulla
Tamperelaiset ottivat työkalukseen ultranopean spektroskopian. Menetelmää tarvittiin, koska aurinkokennojen sisällä tapahtuvat valokemialliset reaktiot ovat erittäin nopeita.
Elektronit siirtyvät kennossa ulkoiseen piiriin puolijohdemateriaalin läpi. Mitä pidempi elektronien keskimääräinen vapaa matka puolijohteessa on, sitä todennäköisemmin ne pääsevät ulkoiseen virtapiiriin ja tuottavat sähköä.
Jos taas elektronit jäävät loukkuun puolijohteeseen, ne yhtyvät ennen pitkää orgaaniseen väriaineeseen, eikä sähköä synny.
Spektroskopia paljasti syyn titaanidioksidikennojen paremmuuteen.
”Havaitsimme, että fotoelektronit siirtyvät väriaineesta puolijohteeseen nopeammin titaanidioksidissa kuin sinkkioksidissa”, kertoo tutkija Kirsi
Virkki, joka valmistelee aiheesta väitöskirjaa.
Maailmalla on tehty tutkimuksia, joiden tulokset tukevat tamperelaishavaintoja. Sinkin peli ei silti ole menetetty.
Vaikka sen rekombinaatio väriaineeseen tapahtuu hieman hitaammin, huolellisella suunnittelulla myös sinkkioksidikennoista voidaan saada erittäin tehokkaita, Virkki sanoo.
Vaaditaan vain lisää tutkimusta ja kehitystä, jota sinkkioksidin osalta on tehty vasta vähän.
Vaikka teollisiin sovelluksiin on matkaa, Virkki luottaa Grätzel-kennoihin.
”Perovskiiteillä on painava sanansa aurinkosähkön tulevaisuudessa.”
(Kuva Aalto-yliopisto) Musta on uusi musta. Maailman ensimmäiset pikimustat aurinkopaneelit nappaavat hyvin myös talvivalon.
Juttu on ilmestynyt ensimmäisen kerran Kemia-lehdessä 6/2018.
Lue myös:
Tutkijat kehittävät ald-pinnoitteita uuden sukupolven perovskiittikennoihin
Tilaa Kemiamedian uutiskirje!
Tilaajana saat sähköpostiisi kerran viikossa kiinnostavimmat uutiset ja tärkeimmät tiedot alan tapahtumista ja työpaikoista.
Arvomme uusien uutiskirjetilaajien kesken palkintoja.
Lue lisää ja tee tilaus täällä.
P.S. Oletko kemian seurojen jäsen? Jos haluat uutiskirjeemme myös vuonna 2023, käy uusimassa tilauksesi täällä.
