Tallinna Tehnikaülikooli teadlased lõid uue põlvkonna päikesepatarei

$content['photos'][0]['caption'.lang::suffix($GLOBALS['category']['lang'])]?>
Tallinna Tehnikaülikooli päikeseenergeetika materjalide teaduslabori teadlased. Autor/allikas: Tallinna Tehnikaülikool

Tallinna Tehnikaülikooli materjaliteadlased valmistasid uut tüüpi materjalist päikesepatarei. Seni laialt kasutatavate ränipõhiste päikesepatareide tootmine on kulukas ning patareid ise on rasked ja jäigad. Uurijad loodavad uuest materjalist loodussäästlikumat ning paindlikumat alternatiivi.

Euroopa Liit on otsustanud võtta ette ulatusliku reformi Euroopa rohelise kokkuleppe ehk roheleppe nime all. Selle eesmärk on muuta Euroopa aastaks 2050 esimeseks kliimaneutraalseks maailmajaoks. Kõige suuremad muutused ootavad ees energiatootmise sektorit, kus seisab ees täielik üleminek taastuvenergiaallikatele, kaasa arvatud päikeseenergeetikale.

Jõudmaks päikeseelektri tootmise võimsustes vajaliku teravati-mahuni, tuleb päikesepaneelide maastikul domineerivate esimese põlvkonna ränipõhiste päikesepaneelide kõrvale välja töötada väiksema ökoloogilise jalajäljega, tõhusamad ja mitmekülgsemaid rakendusi võimaldavad tehnoloogiad.

Tehnikaülikooli päikeseenergeetika materjalide ja optoelektroonsete materjalide füüsika teaduslaborite koostöös ilmus väljaandes Solar Energy artikkel "The effect of S/Se ratio on the properties of Cu2CdGe(SxSe1−x)4 microcrystalline powders for photovoltaic applications". Artiklis keskenduti uue põlvkonna ehk monoterapulbril põhinevate päikeseelementide arendamisele.

Artikli ühe autori, Tallinna Tehnikaülikooli päikeseenergeetika materjalide teaduslabori juhi, vanemteadur Marit Kauk-Kuusiku sõnul koosnevad järgmise põlvkonna päikesepaneelid erinevalt laialtlevinud ränipõhistest päikesepaneelidest ülimalt õhukestest materjalikihtidest. Selliste paneelide valmistamiseks peab vanemteaduri sõnul kasutama võimalikult hea päikesevalguse neelamisvõimega pooljuhtmaterjale.

"Teadupärast pole räni päikesevalguse neelamisvõime eriti kõrge, mistõttu on absorbermaterjali kihid suhteliselt paksud. See teeb omakorda  päikesepaneelid raskeks ja jäigaks," ütleb Kauk-Kuusik ja lisab, et kõnealuse uurimistöö fookuses oli ühendpooljuhtmaterjali Cu2CdGe(SxSe1−x)4 kasutamisvõimaluste analüüs päikeseelektri tootmises. "Keskendusime selles uuringus väävli (S) ja seleeni (Se) omavahelise suhte mõjule absorbermaterjali optoelektroonsetele omadustele, et päikesekiirguse spektrist maksimumi võtta," seletab ta.

Päikesepatarei toimib teadupärast fotoefekti põhimõttel ehk energiatootmine saab toimuda vaid valguse mõjul. Päikesepatarei absorber on materjal, mille ülesanne on võimalikult hästi valgust neelata ja seda just päikesekiirguse spektri piirkonnas. Lisaks peab absorbermaterjali neeldumiskoefitsent olema võimalikult kõrge, mis tähendab, et kogu absorberile peale langev valgus neeldub juba väga õhukeses materjalikihis. See tähendab omakorda, et absorberi valmistamiseks kulub vähem materjali kui kuluks madalama neeldumiskoefitsendi puhul.

Nii ongi näiteks ränist kui madala neeldumiskoefitsendiga materjalist valmistatud absorberid 150–200 mikromeetri paksused. Seevastu tänapäevased, monoterapulbril põhinevad absorbermaterjali kihid saavad olla viis kuni kümme korda õhemad (ehk 10–30 mikromeetri paksused). See vähendab automaatselt ka päikeseelemendi kaalu.

Väiksem päikeseelemendi kaal tähendab ka väiksemat materjalikulu, mis haakub keskkonnateadlikkuse kasvu ja rohepöörde ajastu eesmärkidega. "Oluline on senistele, aastakümneid vaid ränipõhistele päikesepaneelidele pidevalt uusi alternatiive otsida," kinnitab Marit Kauk-Kuusik. Alternatiivide otsingul liigutakse tema sõnul keskkonnasõbralikkuse ja üldise säästlikkuse suunas: lisaks materjali- ja kaalukaole on uued lahendused kergemad, paindlikkumad ja parema energiatootlusega.

Traditsiooniliselt on päikesepaneelide tootmiseks kasutusel kulukad vaakumaurustamise- või vaakumpihustustehnoloogiad. Tallinna Tehnikaülikooli materjaliteadlaste kasutatavas ainulaadses monoterapulbertehnoloogia protsessis aga kõrgvaakumseadmeid ei kasutata.

Mikrokristallidest koosnev pulber sünteesitakse sulasoola keskkonnas kvartsampullis spetsiaalses kamberahjus. Saadud mass pestakse ja fraktsioneeritakse (lahutatakse väiksemateks osadeks – toim.) sõelumismasinas. Nii tekkinud kõrgekvaliteedilist mikrokristalset pulbrit ehk monoterapulbrit kasutataksegi päikesepaneelide valmistamiseks.

"Kuna meie pulbertehnoloogial saadud monoterapulber koosneb mikrokristallidest, mis moodustavad suures paneelis igaüks omamoodi miniatuurse päikesepatarei, annab see sellele materjalile võrreldes räni baasil loodud päikesepaneeliga arvukalt eelised," märgib Marit Kauk-Kuusik. Uus materjal on tema sõnul kerge ja painduv ning saab olla ka poolläbipaistev, olles samal ajal keskkonnasõbralik. Ühtlasi on materjali tootmine varasemast oluliselt vähem ressursimahukas.

Keskkonnasäästlik energiatootmine on rohepöörde ja kestliku tarbimise valguses muutumas möödapääsmatuks. Üha enam on energiatootmise võtmesõnaks saamas taastuvenergeetika, kus päikeseenergeetika on järjest olulisemal kohal.

"Meie uurimuse tulemusel loodud päikesepatarei kasutegur on hetkeseisuga 6,4 protenti, mis on pisut suurem kui maailma esimesel, ränibaasil loodud patareil aastakümneid tagasi. Seega on tegemist lootustandva tulemusega," ütleb Kauk-Kuusik. Samuti on ta kindel, et erinevalt sellest leiutisest ei pea enam kõrgemate kasutegurite saavutamiseks minema 30–40 aastat, nagu oli räniühendi puhul, vaid teadus saab hakkama tunduvalt lühema ajaga.

Uudis ilmus Tallinna Tehnikaülikooli kodulehel.

Toimetaja: Airika Harrik

Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: