Science in the News

Emily Kerr
luvut Abagail Burrus

aurinko säteilee joka sekunti niin paljon energiaa maahan, että se tyydyttää ihmisen koko energiantarpeen yli kahden tunnin ajan. Koska aurinkoenergia on helposti saatavilla ja uusiutuvaa, se on houkutteleva energianlähde. Vuonna 2018 kuitenkin alle kaksi prosenttia maailman energiasta tuli auringosta. Historiallisesti aurinkoenergian korjuu on ollut kallista ja suhteellisen tehotonta. Niukkakin auringon käyttö on kuitenkin parannus kahteen edelliseen vuosikymmeneen, sillä aurinkoenergiasta kerätyn sähkön määrä kasvoi maailmanlaajuisesti yli 300-kertaiseksi vuodesta 2000 vuoteen 2019. Uudet teknologiset edistysaskeleet viimeisten kahdenkymmenen vuoden aikana ovat lisänneet riippuvuutta aurinkoenergiasta alentamalla kustannuksia, ja uusi teknologinen kehitys lupaa lisätä tätä aurinkoenergian käyttöä entisestään alentamalla kustannuksia ja lisäämällä aurinkopaneelien tehokkuutta.

Aurinkokennot: Kustannukset, haasteet ja suunnittelu

viimeisten 20 vuoden aikana aurinkokennoihin, rakenteisiin, jotka pystyvät muuttamaan valoenergiaa sähköksi, liittyvät kustannukset ovat laskeneet tasaisesti. Aurinkokennoteknologiaa tutkiva Yhdysvaltain hallituksen kansallinen uusiutuvan energian laboratorio National Renewable Energy Laboratory arvioi, että tekijät lisäävät auringon edullisuutta. He arvioivat, että kovat kustannukset, fyysisten aurinkokennojen laitteistojen kustannukset ja pehmeät kustannukset, joihin sisältyy työvoimaa tai vaadittujen hallituksen lupien hankkimiseen liittyviä kustannuksia, ovat suunnilleen yhtä suuret (Kuva 1). Pehmeät kustannukset ovat laskeneet, koska uusien aurinkokennojen potentiaalisia kuluttajia ja asennusasiantuntijoita on enemmän, joten yritykset voivat tuottaa aurinkokennoja irtotavarana ja asentaa ne helposti. Kovat kustannukset ovat alle puolet siitä, mitä ne olivat vuonna 2000, mikä johtuu pääasiassa alenevista materiaalikustannuksista ja solujen lisääntyneestä kyvystä kuvata valoa. Kustannustehokkaampien ja tehokkaampien aurinkokennojen suunnittelu on vaatinut innovatiivisen suunnittelun lisäksi tarkkaa harkintaa aurinkokaappaukseen liittyvästä fysiikasta.

koska aurinkokennoja käytetään valon muuntamiseen sähköksi, niiden täytyy koostua jostakin materiaalista, joka on hyvä vangitsemaan energiaa valosta. Tämä materiaali voidaan sijoittaa kahden metallilevyn väliin, jotka kuljettavat valoenergiasta kaapatun sähkön sinne, missä sitä tarvitaan, kuten kodin tai tehtaan koneiden Valoihin (kuva 2). Oikean materiaalin valitseminen valon vangitsemiseen edellyttää kahden energiatason, valenssikaistan ja johtuvuuskaistan, välisen eron mittaamista. Matalaenergiaisessa valenssikaistassa on paljon pieniä negatiivisesti varautuneita hiukkasia, joita kutsutaan elektroneiksi,mutta korkeamman energian johtokaistassa on enimmäkseen tyhjää. Kun elektroneihin osuu valohiukkasia, joita kutsutaan fotoneiksi, ne voivat absorboida tarpeeksi energiaa hypätäkseen matalaenergiaisesta johtuvuuskaistasta korkeaenergiaiseen valenssikaistaan. Valenssikaistalla elektronin ylimääräinen energia voidaan kerätä sähköksi. On kuin elektronit istuisivat mäen pohjalla (johtuvuuskaistalla) ja niihin osuisi fotoni, joka antaa niille energian hypätä huipulle (Valancen kaistalla).

valenssikaistalle hyppäämiseen tarvittavien elektronien energiamäärä riippuu materiaalin tyypistä. Pohjimmiltaan metaforisen kukkulan koko vaihtelee tietyn materiaalin ominaisuuksien perusteella. Energiakuilun koolla on merkitystä, koska se vaikuttaa siihen, miten tehokkaasti aurinkokennot muuttavat valon sähköksi. Erityisesti, jos fotonit osuvat elektroneihin, joilla on vähemmän energiaa kuin elektronin tarvitsee hypätä valenssinauhalta johtuvuuskaistalle, mikään valon energiasta ei jää vangiksi. Vaihtoehtoisesti, jos valolla on enemmän energiaa kuin tuon aukon ylittämiseen tarvitaan, elektroni kaappaa tarvitsemansa täsmällisen energian ja tuhlaa loput. Molemmat skenaariot johtavat tehottomuuteen auringon korjuussa, joten aurinkokennomateriaalin valinta on tärkeä.

historiallisesti pii on ollut aurinkokennojen suosituin materiaali (kuva 2). Yksi syy suosioon on piin johtumis-ja valenssikaistojen välisen kuilun suuruus, sillä useimpien kevyiden hiukkasten energia on hyvin lähellä energiaa, jota piin elektronit tarvitsevat energiakuilun ylittämiseen. Teoriassa noin 32% valoenergiasta voitaisiin muuttaa sähköenergiaksi pii-aurinkokennolla. Tämä ei ehkä tunnu paljolta, mutta se on huomattavasti tehokkaampi kuin useimmat muut materiaalit. Lisäksi pii on myös edullista. Se on yksi maapallon runsaimmista alkuaineista, ja sen jalostuskustannukset ovat laskeneet dramaattisesti vuoden 1980 jälkeen. Aurinkokenno-ja elektroniikkateollisuus ovat ajaneet puhdistuskustannusten laskua, koska he ovat oppineet parempia bulk-puhdistustekniikoita aurinkokennojen ja kulutuselektroniikan kysynnän edistämiseksi.

alenevien materiaalikustannusten lisäksi ovelat insinööritemput ajavat pii-aurinkokennojen hyötysuhteen lähemmäs teoreettista maksimiaan. Jotta fotonit muuttuisivat energiaksi, niiden on ensin törmättävä elektroniin. Yksi keino lisätä fotoni-elektroni-törmäyksen todennäköisyyttä on aurinkokennojen piin kuviointi mikroskooppisissa pyramidimuodoissa. Kun valo absorboituu pyramidiin, se kulkee pidemmälle, mikä lisää todennäköisyyttä, että valo törmää piissä oleviin elektroneihin ennen kuin pakenee solusta.

vastaavalla taktiikalla kemistit ja materiaalitutkijat ovat suunnitelleet aurinkokennojen etupuolelle heijastamattomia pinnoitteita estämään hyötyvalon heijastumisen takaisin avaruuteen osumatta koskaan aurinkokennossa olevaan elektroniin. Samoin heijastimen laittaminen aurinkokennon takaosaan mahdollistaa myös suuremman valon keräämisen. Valo, joka saavuttaa aurinkokennon ja tekee sen aina taakse osumatta elektroniin, kimpoaa solun etuosaan, jolloin kenno saa uuden mahdollisuuden kerätä valoa.

tällä hetkellä piipohjaisten aurinkokennojen hinta laskee edelleen, ja päinvastaisista ennusteista huolimatta itse piin hinta laskee edelleen. Pii-aurinkokennot pysynevät suosiossa lähivuodet. Pii-aurinkokennoille on kehitetty vaihtoehtoja, mutta ne eivät ole riittävän pitkällä ollakseen kaupallisesti kannattavia.

aurinkokennojen tulevaisuus

nykyisten aurinkokennojen syrjäyttämiseksi uuden rakenteen olisi kyettävä sieppaamaan enemmän valoa, muuttamaan valoenergiaa sähköksi tehokkaammin ja/tai olemaan halvempi rakentaa kuin nykyiset mallit. Energiantuottajat ja kuluttajat käyttävät aurinkosähköä todennäköisemmin, jos sen tuottama energia on yhtä kallista tai halvempaa kuin muut, usein uusiutumattomat sähkömuodot, joten nykyisten aurinkokennomallien parantamisen on laskettava kokonaiskustannuksia, jotta sitä voidaan käyttää laajalti.

ensimmäinen vaihtoehto, johon lisätään laitteisto, jonka avulla aurinkokennot voivat vangita enemmän valoa, ei oikeastaan edellytä, että luovumme nykyisistä aurinkokennomalleista. Aurinkokennoon voidaan asentaa elektroniikkaa, jonka avulla kenno voi seurata aurinkoa sen liikkuessa päivätaivaalla. Jos aurinkokenno osoittaa aina kohti aurinkoa, siihen osuu paljon enemmän fotoneja kuin jos se osoittaisi kohti aurinkoa vasta keskipäivän tienoilla. Tällä hetkellä sellaisen elektroniikan suunnittelu, joka voi seurata auringon sijaintia tarkasti ja johdonmukaisesti useiden vuosikymmenten ajan kohtuullisin kustannuksin, on jatkuva haaste, mutta innovaatiot tällä rintamalla jatkuvat. Vaihtoehto itse aurinkokennon liikuttamiselle on peilien avulla keskittää valo pienempään ja siten halvempaan aurinkokennoon.

toinen keino parantaa aurinkokennojen suorituskykyä on kohdistaa niiden hyötysuhde niin, että ne pystyvät paremmin muuntamaan auringonvalossa olevaa energiaa sähköksi. Aurinkokennot, joissa on enemmän kuin yksi kerros valoa sieppaavaa materiaalia, voivat kaapata enemmän fotoneja kuin aurinkokennot, joissa on vain yksi kerros. Hiljattain lab-testatut aurinkokennot, joissa on neljä kerrosta, voivat kaapata 46% niihin osuvasta tulevasta valoenergiasta. Nämä solut ovat edelleen enimmäkseen liian kalliita ja vaikeita tehdä kaupalliseen käyttöön, mutta jatkuva tutkimus saattaa jonain päivänä tehdä näiden supertehokkaiden solujen toteuttamisen mahdolliseksi.

vaihtoehtona aurinkokennojen tehokkuuden parantamiselle on yksinkertaisesti niiden kustannusten alentaminen. Vaikka piin käsittely on halventunut viime vuosikymmeninä, se vaikuttaa edelleen merkittävästi aurinkokennojen asennuskustannuksiin. Käyttämällä ohuempia aurinkokennoja materiaalikustannukset laskevat. Nämä “ohutkalvoiset aurinkokennot” käyttävät valoenergian keräämiseen materiaalikerrosta, joka on vain 2-8 mikrometriä paksu, vain noin 1% siitä, mitä käytetään perinteisen aurinkokennon valmistukseen. Monikerroksisten kennojen tapaan ohutkalvoiset aurinkokennot ovat hieman hankalia valmistaa, mikä rajoittaa niiden käyttöä, mutta tutkimus on käynnissä.

lähitulevaisuudessa pii-aurinkokennot todennäköisesti jatkavat kustannusten laskua ja niitä asennetaan runsaasti. Yhdysvalloissa kustannusten laskun ennakoidaan lisäävän aurinkosähköä vähintään 700 prosenttia vuoteen 2050 mennessä. Samaan aikaan tutkimus vaihtoehtoisten mallien tehokkaammista ja halvemmista aurinkokennoista jatkuu. Vuosien kuluttua aurinkovoimaloilla ja katoilla on todennäköisesti tarjolla vaihtoehtoja Piille, mikä auttaa tarjoamaan puhtaita ja uusiutuvia energialähteitä. Nämä parannukset ovat olleet ja tulevat olemaan mahdollisia lisäämällä aurinkokennojen bulkkituotantoa ja uusia teknologioita, jotka tekevät kennoista halvempia ja tehokkaampia.

Emily Kerr, kemian ja kemiallisen biologian jatko-opiskelija.

Abagail Burrus on kolmannen vuoden Organisminen ja evoluutiobiologian Tohtorikoulutettava, joka tutkii elaiophoreiden kehitystä.

lisätietoja:

• jos haluat lisätietoja ohutkalvoisista aurinkokennoista, tutustu tähän artikkeliin MIT: n uutisista
• lisätietoja aurinkokennojen laskevista kustannuksista, katso tämä artikkeli MIT: n uutisista
• graafinen kuvaus aurinkopaneelien toiminnasta, katso tämä artikkeli aurinkopaneelien koostumuksesta ja tieteestä

tämä artikkeli on osa SITN20-sarjaa, se on kirjoitettu sitn: n 20-vuotisjuhlan kunniaksi kahden viime vuosikymmenen merkittävimpien tieteellisten edistysaskelten muistoksi. Tutustu muihin SITN20-paloihimme!