Nutiseadmed koguvad usinalt infot nii meie endi kui ka meid ümbritseva kohta. Näiteks mõõdavad nutisensorid toa temperatuuri ja niiskust. Nutikellad ja -sõrmused jälgivad inimese kehalist aktiivsust, kehatemperatuuri ja pulssi. Andmeid kogudes, töödeldes ja jagades moodustavad nutiseadmed värkvõrgu ehk asjade interneti, kirjutab Tallinna Tehnikaülikooli doktorant-nooremteadur Robert Krautmann.

Minu doktoritöös uuritavate päikesepatareide abil võiksid juhtmevabad nutisensorid töötada oluliselt kauem hooldust vajamata. Neid saaks rakendada suurematel vahemaadel ja kohtades, kuhu nad praegu ei sobi. Nii saaks õhukesekileline ja painduv päikesepatarei toita tulevikus näiteks nahale kinnituvat plaastrilaadset bioelektroonilist sensorit, mis mõõdab veres muu hulgas inimese laktaadi, glükoosi või laktoosi sisaldust.

Sellised värkvõrgu nutisensorid põhinevad raadiosagedustuvastuse tehnoloogial. Nutisensor koosneb andurist, mikrokiibist, antennist ja toiteallikast. Toiteallikas annab energiat anduri mõõtetööks, mikrokiibi andmetöötluseks ja antenni võimendamiseks, et suurendada infoedastusel väljaantava signaali lugemiskaugust.

Praegu kasutatakse nutisensorite toiteallikana akusid ja patareisid. Teatud aja tagant vajavad aga akud laadimist või patarei vahetamist, mis takistab nutisensori katkematut pikaajalist andmete seiret. Samuti muudab see tulevikus tuhandete nutisensorite hooldamise tülikaks. Seetõttu võiksid tuleviku nutisensorid kasutada toiteallikana minu doktoritöös uuritavaid õhukesekilelisi päikesepatareisid. Neid oleks kulutõhus toota ja need toodavad nii päikese- kui ka toavalguses piisavalt elektrit, et nutisensorit töös hoida.

Ainulaadne materjal

Meie keemiliste kiletehnoloogiate laboris valmistatud päikesepatareid ei põhine tavapärasel ränil, vaid antimonseleniidi (Sb₂Se₃) õhukesel kihil. Antimonseleniidi ühend on niivõrd hea päikesevalguse neelduvusega, et selle kasutamiseks valgust neelava kihina piisab imeõhukesest, mõne mikroni paksusest materjalikihist, mis on kümneid kordi õhem juuksekarvast.

Seejuures sulab antimonseleniid madalal temperatuuril ja aurustub kergesti, mis võimaldab õhukest materjalikihti valmistada lihtsa madalatemperatuurilise sublimatsioonimeetodiga. Tahke antimonseleeniidi ühendi pulber sublimeerub kuumutamise käigus auruks, mis kandub edasi jahedama aluse pinnale, kus aur kondenseerub tahkeks kihiks. Sublimatsioonimeetod võimaldab valmistada õhukesekilelisi päikesepatareisid painduvatele alustele, mis on just see, mida vajavad kleebistele sarnanevad tuleviku nutisensorid.

Meie antimonseleniidi päikesepatarei kõrgeim efektiivsus elektri tootmisel päikesevalgusest on praegu kuus protsenti. Kompaktsemaks elektri tootmiseks võiks päikesepatarei efektiivsus aga poole võrra tõusta.

Tööd jätkub

Sublimatsioonimeetod on kulutõhus ja kiire, kuid antimonseleniidi materjalikihi moodustumisel tekib vigu, mis nõuavad materjali edasiarendamist. Nimelt tekib antimonseleniidi kihi kiire kasvu juures antimonseleniidi kristallivõresse palju defekte. Oma doktoritöös püüangi elektriliste mõõtmiste abil erinevaid materjalis leiduvaid kristallidefekte kaardistada.

Näiteks leidsin, et meie valmistatud antimonseleniidi kristallvõres on tühimikke, mida peaksid täitma antimoni või seleeni aatomid. Samuti leidub defekte, kus seleeni aatom paikneb kohas, mis on hoopis ettenähtud antimonile. Selliste defektide paljusus piirab päikesepatarei tööd. Kui päikesevalguse neeldumisel tekivad antimonseleniidi kihis vabad laengukandjad, lõksustavad defektid vabad laengukandjad ja takistavad elektrivoolu tootmist. Seetõttu langeb nii päikesepatareis toodetav elektrivoolu tugevus kui ka tööpinge.

Tervikülevaade defektidest on abiks sobiva järeltöötluse leidmisel. Manustades antimonseleniidi lisandaatomitega (näiteks vase, tina või klooriga), võib avaneda võimalus muuta ebasoodsad defektid kahjutuks. Mida vähem on kahjulikke defekte materjalis, seda rohkem on vabu laengukandjaid ja seda tõhusamalt toodab päikesepatarei elektrit.

Tuleviku värkvõrgu nutisensorid saavad päikesepatareid kasutades töötada pikemat aega kui aku või tavapatareidega. Samuti leiavad õhukesed ja painduvad nutisensorid rakendust uutes kohtades. Õhukesekilelisi päikesepatareisid on juba tänapäeval nutisensoritele lihtne ja odav toota. Tegutseme edasi selle nimel, et tõsta juba odavate päikesepatareide tõhusust vähemalt kaks korda.

Artikkel ilmus Eesti Teaduste Akadeemia korraldatava konkursi "Teadus 3 minutiga" raames, mille pidulik finaal toimub 11. veebruaril.