Aurinkosähköteknologiat

Aurinkokennojen yleisin valmistusmateriaali on yksi- tai monikiteinen pii. Teknologia on vakiintunutta, ja noin 90 prosenttia tarjolla olevista aurinkokennoista on piikidekennoja. Piikidekennoista valmistettujen aurinkosähköpaneelien hyötysuhde on kaupallisissa sovelluksissa tavallisesti 15–17 prosenttia.

Ohutkalvokennot valmistetaan lisäämällä niiden nimen mukaisesti hyvin ohuita kerroksia valoherkkää ainetta edulliselle pohjamateriaalille, kuten lasille, ruostumattomalle teräkselle tai muoville.¹⁾ Ohutkalvokennoista koottujen aurinkopaneelien hyötysuhde on tavallisesti noin 9–11 prosenttia.^{2) ja 3)}

Kuvassa 1 on yksikiteiseen piihin perustuva aurinkopaneeli. Monikiteinen piipaneeli ja ohutkalvopaneeli eroavat ulkonäöltään jonkin verran kuvan paneelista.

Ohutkalvopaneeleilla pystytään keräämään hajasäteilyä hiukan tehokkaammin kuin kiteisen piin paneeleilla, mutta vaikutus on vuositasolla vähäinen. Ohutkalvopaneelit päästävät enemmän valoa lävitseen, joten niillä auringonsäteilyä ei saada hyödynnettyä sähköntuotantoon yhtä hyvin kuin kiteiseen piihin perustuvilla paneeleilla.

Kennojen hyötysuhteeseen vaikuttaa myös ympäröivän ilman lämpötila. Kiteisestä piistä valmistettujen kennojen hyötysuhde paranee viileässä suhteellisesti enemmän kuin ohutkalvokennojen.

Aurinkosähkökennojen toimintaperiaate Auringonsäteily koostuu fotoneista, jotka vapauttavat puolijohdemateriaaliin osuessaan sen elektroneja. Säteilyn kykyä irrottaa elektroneja kutsutaan valosähköiseksi ilmiöksi. Tämän hetken kaupalliset aurinkokennot eli kiteiset piikennot ja ohutkalvokennot on muodostettu kahdesta erityyppisestä puolijohdemateriaalista (p-tyyppi ja n-tyyppi). Alla olevassa kuvassa on esitetty pn-liitokseen perustuvan aurinkokennon toimintaperiaate. Kuva. Pn-liitokseen perustuvan aurinkokennon toimintaperiaate. Alkuperäinen kuva: Ahoranta, J. Aurinkokenno. Alustava oppikirjamateriaali. Puolijohteet ovat materiaaleja, jotka johtavat sähköä paremmin kuin eristeet mutta huonommin kuin metallit. Aurinkokennojen puolijohdemateriaalit ovat saostettuja puolijohteita. N-tyypin puolijohteisiin on saostettu alkuainetta, jolla on enemmän elektroneja kuin puolijohteen muilla atomeilla (esimerkiksi arseeni). P-tyypin puolijohteeseen on puolestaan saostettu alkuainetta, jolla on vähemmän elektroneja kuin puolijohteen muilla atomeilla (esimerkiksi boori). Kun vierekkäin asetetaan n-tyypin ja p-tyypin puolijohteet, n-puolen ylimääräiset elektronit kulkeutuvat p-puolen aukkoihin. Elektronien siirtyessä n-puolelta p-puolelle n-tyypin puolijohteeseen syntyy positiivinen varaus ja p-tyypin puolijohteeseen negatiivinen varaus. Elektronit toimivat siis negatiivisen varauksen kuljettajina jättäen jälkeensä aukon, joka toimii positiivisen varauksen kuljettajana. Puolijohteen sähkönjohtavuus perustuu näin ollen vapaiden elektronien ja aukkojen liikkeeseen. Kennon sisällä muodostuvassa sähkökentässä fotonilta energiaa saavat elektronit voivat kulkeutua vain p-puolelta n-puolelle, josta ne voidaan johtaa ulkoisen virtapiirin kautta takaisin p-puolelle. Aurinkosähköjärjestelmän elektroniikka muuttaa ulkoisessa virtapiirissä kulkevan sähkövirran muotoon, jossa sitä voidaan hyödyntää sähkölaitteissa tai jossa sähköenergia voidaan varastoida akkuihin.

Aurinkosähköteknologian kolme sukupolvea Aurinkosähköteknologiat voidaan jakaa kolmeen sukupolveen. Yksi- ja monikiteiset piikennot ovat ensimmäisen sukupolven aurinkokennoja, ja ne ovat kaupallisessa käytössä. Ohutkalvoaurinkokennot ovat toisen sukupolven aurinkokennoja. Ensimmäisen ja toisen sukupolven aurinkokennojen teknologia perustuu valosähköiseen ilmiöön ja puolijohteiden pn-liitoksen aikaansaamaan sähkökenttään. Kolmannen sukupolven aurinkokennot ovat vielä tutkimusasteella. Esimerkkinä voidaan mainita nanokidekennot (joita kutsutaan myös väriaineherkistetyiksi aurinkokennoiksi tai Grätzel-kennoiksi). Nanokidekennoissa ei ole pn-liitoksen aikaansaamaa sähkökenttää, vaan elektronien liike perustuu kemiallisiin reaktioihin. Kenno koostuu nanokokoisista titaanidioksidihiukkasista, jotka on pinnoitettu säteilyä absorboivilla väriainehiukkasilla ja käsitelty elektrolyyttiliuoksella. Kun säteily saavuttaa väriainehiukkaset, kennolla vapautuu elektroneja, jotka kulkeutuvat puolijohtavalta titaanidioksidikerrokselta ulkoiseen virtapiiriin. Nanokidekennojen lisäksi tutkimus- ja kehitysvaiheessa on useita muita aurinkokennotyyppejä. Näistä esimerkkejä ovat keskittäviin järjestelmiin kehitetyt aurinkokennot sekä joustavat aurinkokennot, joista on jo sovelluksia käytössä maailmalla. Joustavat aurinkokennot vastaavat ohutkalvoteknologiaa, mutta niissä valoherkkä aine painetaan joustavalle pohjamateriaalille, esimerkiksi rullattavalle muoville. Muokattavuutensa ansiosta niitä voidaan käyttää lukuisissa sovelluksissa.1) Keskittäviin järjestelmiin kehitetyt kennot asetetaan auringon säteilyä keräävän peilin tai linssin yhteyteen, jolloin kennomateriaalia tarvitaan tavallista vähemmän. Tällöin voidaan käyttää kalliimpia ja hyötysuhteeltaan parempia kennoja.

¹⁾ Photovoltaic Energy – Electricity from the Sun – EPIA (pdf) (3.9 MB)

²⁾ Ks. esimerkiksi International Renewable Energy Agency, June 2012, Renewable Energy Technologies: Cost Analysis Series, Volume 1: Power Sector, Issue 4/5, Solar Photovoltaics.

³⁾ Markkinoilla on kuitenkin saatavilla edistyneempiä paneeleita, joiden hyötysuhteet ovat edellä mainittuja korkeampia. Esimerkiksi SunPower Corp (US) ilmoittaa tarjoamansa yksikiteiseen piihin perustuvan aurinkopaneelin hyötysuhteeksi 21,5 % (kennon hyötysuhde 24,0 %). First Solar (US) tarjoaa CdTe-ohutkalvopaneeleja, joiden hyötysuhde on standardioloissa 14,4 % (kennon hyötysuhde 18,7 %).