Tallinna Tehnikaülikooli inseneriteaduskonna materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudi teadur Robert Krautmann kaitses tänavu oma doktorikraadi õhukesekileliste päikesepatareide arendamise vallas. Teadur on selle teemaga tegelenud aastaid. Ka Krautmanni magistritöö seondus päikesepatareide arendamisega sublimatsiooni meetodil.

Krautmann ise näeb õhukestes päikesepaneelides murrangut uute põlvkondade päikeseenergia ammutamises. Juuksekarva paksusest üksjagu õhemate päikeseelementide kasutamisega saaks panna energiat tootma põhimõtteliselt mistahes pinnad ja materjalid – alates aknaklaasidest ja kardinatest, lõpetades inimese seljas olevate riietega.

Ees seisab veel rohkesti arendustööd

Huvi füüsika ja materjaliteaduse, samuti taastuvenergia tehnoloogiate vastu tekkis Robert Krautmannil juba gümnaasiumis käies. Nii asus ta neid erialasid õppima ka 2013. aastal Tartu Ülikooli astudes, kus tegi oma bakalaureusetöö materjaliteaduse erialal. Edasine kulges juba valdkonda aina rohkem süvitsi sisenedes, kuni käesoleval aastal jõudis ta Tallinna Tehnikaülikoolis doktoritöö kaitsmiseni.

Liialdamata võib tegemist olla olulise panusega uudse päikesepatareitehnoloogia juurutamisel. Nimelt erinevad Krautmanni uuritavad antimon-seleniidil (Sb₂Se₃) baseeruvad üliõhukesed päikesepatareid põhimõtteliselt nendest ränielementidel baseeruvatest paneelidest, mida kasutatakse praegu laialdaselt päikeseelektri tootmiseks.

Laboritingimustes ulatub Sb₂Se₃ ja Sb₂S₃ päikesepatareide tõhusus praeguseks ligi seitsme protsendini. Krautmann nentis siiski, et praegune tehnoloogia ei ole veel masstootmiseks piisavalt küps. "Eks sellise tööstuse ülesehitamine on rahaliselt väga ressursimahukas. Et keegi oleks valmis neid riske võtma, on toode vaja saada odavamaks või efektiivsemaks senistest variantidest. Ränipaneelide hinnad on niigi kolinal alla tulnud ja nende efektiivsus on ka praegu kõrgem," selgitas teadur.

Laiatarbe ränipaneelide tõhusus jääb praegu 15–20 protsendi vahele. "Samas ei tähenda madal efektiivsus, et uuenduslik päikeseelement pole üldse kasutamiseks kõlblik. Lihtsalt vaja on seda edasi arendada," sõnas Krautmann.

Teadur lisas, et uute tehnoloogiate puhul tuleks näha ka teisi helgemaid külgi. Näiteks saab kasutada jätkusuutlikke materjale või paneele nende eluea lõppedes paremini ümbertöödelda.

Uusi tehnoloogiaid saaks tema sõnul kasutada ka näiteks tandempaneelide ehitamiseks. Lahenduse puhul kaetakse ränipaneelid teise, samamoodi valgust neelava materjalikihiga, et kasutada ära suurem osa pealelangeva valguse spektrist. Samuti sobiksid need uued tehnoloogiad hästi niširakendustesse, nagu autonoomsed nutisensoritesse või päikeseaknatesse.

Räni asemel hoopis teised materjalid

Uuritav päikesepaneelide tehnoloogia põhineb uudsete materjalide kasutamises. Senise räni (Si) asemel on Krautmanni päikeseelemendid tehtud sellistest materjalidest nagu antimon-seleniid (Sb₂Se₃) ja antimon-sulfiid (Sb₂S₃). Nendes oluliselt tugevam valguse neeldumine võimaldab valmistada ülimalt õhukest päikeseenergiat ammutavat ja elektrit tootvat päikeseelementi.

Seda saab kasutada kohtades, kuhu ränipaneelid ei sobi. "Ränipaneelid liiga palju ei paindu. Meie uuritavate paneelide materjalikihte on aga võimalik sünteesida selliselt, et saame seda peale kanda väga erinevatele pindadele," selgitab Robert Krautmann.

Nii erineb ka Sb₂Se₃ ja Sb₂S₃ päikeseelementide tootmisprotsess kardinaalselt erinev ränipaneelide tootmisest. "Oma olemuselt tähendab see seda, et võime päikeseelemendi kihte ajada sedavõrd õhukeseks, et nad on poolläbipaistvad – osa valgusest lasevad läbi ja osa kasutavad ära elektri tootmiseks. See on oluline aspekt, kui soovime päikeseenergiat tootvat kihti kanda näiteks akendele," lisas Krautmann.

Suurusjärkudest aimu saamiseks võib manada silme ette juuksekarva. Kui räni puhul on päikest neelav kiht 180 mikromeetrit ja juuksekarva läbimõõt on umbes 50 µm, siis antimonseleniidi ja -sulfiidi kihtide paksus on kõigest üks mikromeeter. Mõõtkava on küll mõlemal puhul väike, aga tegelikult tähendab see väga suurt materjali kokkuhoidu.

Lisaks on sootuks erinev räni ja õhukesekileliste antimonseleniidi ja -sulfiidi päikeseelementide tootmisprotsess. Ränist paneelide valmistamisel tähendab see otseselt energiamahukat metallurgiat. Maapõuest ammutatav ränioksiid (SiO₂) sulatatakse ahjus 1400 kraadi juures üles ja alles siis saab sellest sulamassist hakata ekstraheerima puhast räni. Ahjust saadakse kätte silindrikujuline ränikristall, mis lõigatakse õhukesteks, 180 µm paksusega räniplaatideks. Edasi järgnevad spetsiifilised keemilised töötlused, enkapsuleerimine klaasi alla ja lõpuks saadakse paneel, mis suudab valguse pealekandumisel voolu toota.

Tegelikult seisneski üks uute päikesepatareide tehnoloogiate uurimise alustamise põhjus selles, et räni puhastamine ja tootmine on äärmiselt energiamahukas. See aga muutis ränimaterjali oma paksu kihiga kaunis kalliks. Praegused suured tootmismahud ja odav elekter Hiinas on aga ränipaneelide hindu viimastel aastatel märkimisväärselt kahandanud.  

"Meil tehnikaülikoolis sellist sulatusahju pole. Võtsime pulbri kujul antimon-seleniidi või antimon-sulfiidi ning kuumutasime seda pulbrit imeväikeses reaktoris, mis oli viidud vaakumkeskkonda," iseloomustas Krautmann oma teadustöö teostuslikku poolt. Vaakumtingimustes hakkavad kõrge aururõhuga ained, nagu antimonseleniid ja -sulfiid, aurustuma juba enne nende sulamistäppi

Reaktori teise otsa, ühe sentimeetri kaugusele, asetasid teadlased elektrit juhtiva klaasaluse, mis oli viidud pisut madalamale temperatuurile. "Selle pinnale moodustuski materjalikiht – valgust neelav antimon-seleniidi või antimon-sulfiidi imeõhuke kiht," lisas Krautmann

Pidev toiteallikas nutisensoritele

Painduvatel üliõhukestel päikesepatareidel võiks tulevikus olla rohkesti kasutusalasid. Robert Krautmanni sõnul hakkab fantaasia tahes-tahtmata lendama. Nii võib vaimusilmas näha juba elektrit tootvaid aknaid, kangaid, plaastreid jmt.

Üks on selge ja kindel – sublimatsioonitehnoloogia annab võimaluse valmistada paneele ka kumeratele pindadele, olgu selleks siis laevakere, autokatus, mingi post, aed või ehitiste katused. Seejuures oleksid need patareid seal üldjuhul n-ö nähtamatud ehk ränipaneelidest paremini keskkonda integreeritud. Päikesepargid hõivavad praegu arvestatavas koguses põllu- või rohumaad, mis võtab võimaluse kasutada neid riiklikult strateegiliselt oluliseks põllumajanduslikuks tootmiseks.

Vaata ka Robert Krautmanni 3 minuti teadusvideot oma doktoritööst.

Selle kõrval toob Krautmann uuenduslike paneelide kasutusvaldkonda veel ühe tahu – nutisensoritele pideva toite tagamise. "Kui me seda ehk praegu veel eriti ei hooma, siis tulevikus muutub see üha olulisemaks teemaks, kuna kõikvõimalikke nutisensoreid tuleb meie ellu laviinina juurde," rääkis teadur.

"Tulevikumaailm põhineb andmetel ja pideval andmetöötlusel. Mida paremini me suudame seirata erinevaid andmestikke, seda paremaid otsuseid saame langetada ja seda paremini ka erinevaid protsesse optimeerida," selgitas Krautmann.

Üldiselt vajavad pikematel vahemaadel töötavad nutisensorid katkematut  elektritoidet. Kui toide kaob, lakkab seade signaali mõõtmast ja edastamast. Kui sääraseid nutisensoreid on näiteks mõnes ettevõttes või ülikoolis üles seatud mitusada, siis nende hooldamine võib osutuda üsna tülikaks. Praegu saavad sensorid oma toite patareidest või akudest, mida tuleb teatud aja tagant laadida või vahetada.

Krautmanni idee seisneb selles, et kui panna tema uuenduslik päikesepaneel koostööle akuga ja ühendada need mingite nutisensoritega, oleks neile vajaminev vool pidevalt tagatud. Seeläbi oleks nende hooldamine üksjagu lihtsam. Ühtlasi peaks sellise toitelahendusega pikenema seadme tööiga.

Säärased sensorid, olgu selleks näiteks digitaalne termomeeter või niiskuseandur, tarbivad üldjuhul väga vähe energiat. Sageli piisab ühest-kahest voldist ja voolu on vaja mikroamprites. Sellepärast julgebki teadlane väita, et teatud oludes sobib selline miniatuurne paneel nutisensoritele voolu andma ka sisetingimustes. Sensorid saaksid oma energia hajuvalgusest.

"Kuigi toavalguse intensiivsus pole võrreldav päikesevalgusega, siis teatud tingimustel võiksid minu uuritavad päikesepatareid piisavas koguses voolu toota. Umbes nii nagu toimivad ka kalkulaatorite päikeseelemendid," sõnas Krautmann.

"Selle paikatimmimine saab olema keeruline, aga ma ei ütle, et võimatu. Alustuseks on kindlamad aga ikkagi välitingimustesse paigaldatavad patareid," mõtiskles teadur. Igal juhul on Robert Krautmann kindel, et tema loodud päikesepaneeliga väikese voolutarbega nutiseadmete toitega varustamine oleks märksa energiasäästlikum praegusest pidevast akude laadimisest või seadmete vooluvõrgus hoidmisest.

Tutvu Robert Krautmanni doktoritööga Tallinna Tehnikaülikooli digikogus.