X

Laadi alla uus Eesti Raadio äpp, kust leiad kõik ERRi raadiojaamad, suure muusikavaliku ja podcastid.

Kleenukesed päikeseelemendid aitaks vältida ränipaneele ootavat kriisi

Uue põlvkonna päikesepaneelidega saaks täiendada kasvõi tavalisi aknaklaase, sest need paistaks endiselt läbi.
Uue põlvkonna päikesepaneelidega saaks täiendada kasvõi tavalisi aknaklaase, sest need paistaks endiselt läbi. Autor/allikas: Jako Siim Eensalu

Praegu massiliselt valmistavate ränipõhiste päikesepaneelide tootmine on energiamahukas ja nende tõhususe edasine parandamine muutub üha raskemaks. Vähemalt teatud rakendustes võib peituda väljapääs ebaharilikest materjalidest valmistatud päikeseelementides, mille arendamisega tegeletakse ka Tallinna Tehnikaülikoolis.

Meie planeedist moodustab räni veidi enam kui neljandiku. See on odav, ohutu ja seda leidub kõikjal ohtralt nagu liiva kõrbes. Pooljuhtseadmete kujul on see andnud märkimisväärselt hoogu ka kaasaegse elektroonika arengule. Miks peaks aga see meeldiv rannakaaslane fotoelektrilistest seadmetest tulevikus kaduma ja tuleviku päikesepaneelid töötama ilmselt ka ränita? Kuidas võiksid õhukesed ja praeguses mõistes ebatavalistest koostisosadest valmistatud päikesepaneelid juba lähitulevikus neid tehnoloogilises võidujooksus edestada, kirjutab Tallinna Tehnikaülikooli õhukesekileliste energiamaterjalide labori professor Maciej Sibiński.

Isiklikus elus nähakse saledust tihtilugu voorusena, mille üle on põhjust uhkust tunda. Kuidas kanda seda üle aga elektroonikaseadmetele ja eriti päikeseelementidele? Küsimusele ammendava vastuse andmiseks peame lähemalt vaatama, kuidas on päikesepaneele nende 70-aastase ajaloo vältel valmistatud ja millist radapidi on kulgenud nende evolutsioon.

Ränist lubadused

Kaasaegse fotogalvaanika juured ulatuvad 1954. aastasse. USA-s Belli laboratooriumites töötanud Daryl Chapini, Calvin Fulleri ja Gerald Pearsoni konstrueerisid seal esimese päikeseelemendi, mille tõhusus ulatus võrdlemisi mõistliku 4,5 protsendini. Tuli teha vaid poole aasta jagu täiendavat arendustööd, et kergitada seda kuue protsendini. Seejuures on oluline teada, et need esimesed päikesepaneelid valmistati samuti ebatavalisest pooljuhtmaterjalist – kaadmiumsulfiidist.

Peagi pärast neid esimesi leiutisi algas päikeseelementide kiire turustamine, kui Hofman Electronics valmistas teise ettevõtte – Western Digitali – litsentsi alusel rea paneele, mille tõhusus ulatus 1960. aastaks juba 14 protsendini. Miks kasutasid need aga alusmaterjalina räni?

Samal ajal arenes plahvatuslikult kaasaegne elektroonika. Veidi varem, 1948. aastal olid sealsamas Belli laboratooriumites ehitanud John Bardeen, William Shockley ja Walter Brattain esimese töötava pooljuhtvõimendi – müstilise seadme nimega transistor.

Toona ehitatud transistor põhines germaaniumil. Pooljuhtelementi kasutati teise maailmasõja ajal muuhulgas radarite valmistamiseks. Nagu öeldakse aga juba kõnekäänus: iga asja peale mihkel, kuid mitte üheski meister. Germaaniumit oli raske rikastada, see töötas vaid teatud temperatuurivahemikus ja talus pinget veelgi piiratumas ulatuses.

Uue materjalikandidaadi otsingul pöörasid teadlased oma silmad räni poole. Materjal paistis märksa paljulubavamana ja selsamal maagilisel 1954. aastal konstrueerisid nad esimese töötava ränitransistori. Lahendus paistis väga hea ja lahendust kopeeriti üle terve maailma. Isegi koolilapsed teavad aga, et iga transistor koosneb vähemalt pinddioodist ja iga päikeseelement on tegelikult diood. Kõigele lisaks oli räni kohe käepärast võtta.

Tüüpilise ränil põhineva päikeselemendi ehitus. Autor/allikas: Maciej Sibiński

Järgnenud üleminek ränitehnoloogiale oli PV-vallas tormiline ja kõikehaarav. Järgmised 30 aastat keskenduti päikesepaneelide tootmisel vaid kristalsele ränile. Materjalitehnoloogiale ei saanud midagi ette heita ja kõik protsesse optimeeriti pidevalt. Aastaks 1985 suutis rühm Uus Lõuna-Walesi teadlasi murda 20 protsendi tõhususe läve.

Praeguseks põhinevad enam kui 90 protsenti kõigist maailmas toodetavatest paneelidest just ränitehnoloogial. Kahjuks ootas valitud rajal vääramatu kokkupõrge jäämäega. Oli vaid aja küsimus, kuni hakkas see tekitama sügavamaid probleeme.

Eksistentsiaalsed puudujäägid

See võib paista naljakana, kuid räni üks suuremaid probleem seisneb selles, et see pole nii kättesaadav, kui esmapilgul arvata võiks. Piisavalt suure ränimaardla olemasolu kõrvale jättes tuleb arvesse võtta, mida on vaja piisavalt ideaalse kristallstruktuuri kasvatamiseks, et seda saaks omakorda kasutada elektroonika ja monokristalsete päikesepaneelide valmistamiseks.

Juba enne kristalliseerumisprotsessi algust tuleb räni selle puhastamiseks mitmeid kordi üles sulatada. Kuna see nõuab vähemalt 1400 °C kraanini ulatuvat temperatuuri, on kerge ette kujutada, kui palju see energiat neelab.

Sellele lisandub monokristalse struktuuri valmistamine. Populaarseima selleks kasutatav protsessi mõtles juba 20. sajandi alguses välja Poola teadlane Jan Czochralski. Selleks tuleb kasta täielikult üles sulanud ränipoti sisse monokristalli seeme, mida tõstetakse seejärel aeglaselt potist üles ja jahutatakse, seda samal ajal ringi keerates. See kõik toimub erilises kuuma ja neutraalse gaasiga täidetud kambris, et vältida materjali oksüdeerumist. Alles selle tulemusena tekib ränikang, mida saab lõigata toorikkristallideks, millest saab omakorda valmistada päikeseelemente.

Populaarseima monokristalse struktuuri valmistamiseks kasutatava protsessi mõtles juba 20. sajandi alguses välja Poola teadlane Jan Czochralski. Autor/allikas: Maciej Sibiński

Paraku pole see räni ainus puudus. Sellel põhinevate paneelide 20-protsendiline tõhususe piir suudeti ületada juba peaaegu 40 aasta eest. Praegu on käibes olevate üksikelementide tõhusus aga endiselt 27 protsenti ja moodulitel tervikuna 24 protsenti. Kurb tõde taandub ühele lihtsale faktile – ränipõhised moodulid lähenevad teoreetilisele tõhususe piirile, kui palju neile langevast valgusest saab üleüldse elektriks muuta. Jäämägi ujub järjest lähemale.

Kas seda on võimalik kuidagi vältida? See paistab küllaltki võimalik. Pärast esialgset hoogsat ränipõhiste päikesepaneelide arendamist märkasid paljud teadlased mitmeid teisi tõhusate päikesepaneelide valmistamiseks sobivaid kandidaate. Lisaks monokristalsele ränile kasutasid nad näiteks odavamat ja vähem tõhusat polükristalset materjali. Peale selle on nad proovile pannud mitmeid teisigi ühendeid, nagu GaAs, CdS, CdTe, CuInSe2, CuGaSe2, CuO ja isegi süsinikupõhiseid materjale.

Antimoni võlu

Alates 1985. aastast ränipõhiste lahenduste edu pandiks olnud Martin Greene'i liigituse järgi saab jagada päikesepaneele kolmeks või isegi neljaks põlvkonnaks. Teine põlvkond kujutab endast anorgaanilistel õhukestel kiledel põhinevaid paljulubavaid päikeseelemente. Hea näide selle suuna viimase aja saavutustest on antimonil põhinevad Sb2S3 (diantimontrisulfiidil) struktuurid, mille kallal tehakse pingsalt tööd Tallinna Tehnikaülikooli õhukesekileliste energiamaterjalide laboris.

Neil põhinevate päikeseelementide skeemi vaadates võib näha mitmeid eri kihte. Sellele vaatamata moodustavad need üheskoos seadme, mille paksus ulatub paarisajast nanomeetrist mõne mikromeetrini. Monokristalsed ränistruktuurid peavad olema seevastu 90 protsendi neile langeva valguse neelamiseks vähemalt 200 mikromeetri paksused. Vahe tähendab, et tarvis läheb vähem materjali, kuid samal ajal on rohkem võimalusi selleks, milliseid seadmeid sellest ehitada saab.

Lisaks valmistatakse antimonil põhinevat struktuuri tavaliselt vastupidises konfiguratsioonis, mis annab võimaluse elemendi kiireks ja tõhusaks kapseldamiseks, sest läbipaistev aluskiht kujutab ka loomulikku kaitset. Seejuures on väga oluline, et neid seadmeid saab sageli toota juba 300–400 °C kraadi juures. See säästab energiat ning avab võimaluse laiendada substraatide valikut. Võimalik, et sellest saab valmistada isegi painduvaid seadmeid.

Meenutuseks ränipaneelidele mõeldes on nende kõrge hind ja tõhususepiir vaid horisondil ulpiva jäämäe tipp. Neid valmistatakse jäikade ja eraldiseisvate osadena. Mooduli konstrueerimiseks tuleb komplekteerida, joota ja lamineerida ühe raami sisse kümneid taolisi hapraid seadmeid. Selleks isegi roboteid kasutades võtab see aega võrdlemisi kaua ja ei lähe alati kuigi ladusalt.

Õhukeste kilestruktuuride, nagu antimon-päikeselementide, puhul peitub lahendus monoliitses integratsioonis. Selle puhul saab tootmiseks kasutada pidevaid protsesse, mis täidab tööstuse unistuse nn rullist rulli töötlemisest, mille puhul tuleb ühest otsast toorainet sisse pannes teisest otsast lõpptoode pidevalt välja.

Õhukesekilelise Sb2S3 päikeselemendi struktuur, lahendust saab kasutada nii aknaklaasides kui ka õhukestes seadmetes. Autor/allikas: Maciej Sibiński

Miks aga just antimon ja miks võiks keskenduda praegu just sellel põhinevatele lahendustele? Vastus tuleneb tehnoloogiast. Tallinna Tehnikaülikooli teadlased on valmistanud antimonil põhinevaid päikeseelemente, mille tõhusus küündib peaaegu viie protsendini ja mis lasevad läbi 27 protsenti neile langevast valgusest. Nendega saaks täiendada kasvõi tavalisi aknaklaase, sest need paistaks endiselt läbi.

Samas vaimus saab kasutada neid siseruumis värkvõrgu seadmete toiteallikana. Õhemat isolatsiooni kasutades suudavad need elektriks muundada veel kolm korda rohkem nendele langevast valgusest, mis pole oluline vaid siseruumides, vaid ka riikides tervikuna, sh Eestis, kus valgusvoog on märkimisväärse osa aastast nõrk.

Viimaks, antimonil põhinevat materjali saab valmistada suures koguses, erinevalt teiste õhukestest kilematerjalidest pole see mürgine ja püsib stabiilsena pikka aega. Mõlemad tahud on kaasaegse elektroonikatööstuse jaoks väga olulised.

Nõnda on tegu ainulaadse ja paljulubava tehnoloogiaga, millest saaks lõigata kasu Euroopas. Antud juhul mängivad tehnoloogilised edusammud olulisemat rolli kui nende hind ja idas toodetud ränipaneelidega on selles osas raske konkureerida.

Antimonil põhinevad õhukesekilelised paneelid ei hakka ilmselt lähitulevikus asendama ränipõhiste päikesepaneelide masstootmist. Küll aga täiendavad need võimalusi kohtades, kus tekitab traditsiooniliste päikeseelementide kasutamine probleeme. Võime seega ehk peagi näha oma argielus selle olulise leiutise esimesi praktilisi rakendusi, mis aitavad tõhusalt kaasa rohelisele üleminekule.

Toimetaja: Jaan-Juhan Oidermaa

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: