Maarja Grossberg: Eestis tehtav teadus muudab päikesepaneelid tarbijale kättesaadavamaks (2)
Juhime tähelepanu, et artikkel on rohkem kui viis aastat vana ning kuulub meie arhiivi. Ajakirjandusväljaanne ei uuenda arhiivide sisu, seega võib olla vajalik tutvuda ka uuemate allikatega.
Tallinna Tehnikaülikoolis tehtav teadus- ja arendustöö aitab kaasa uute ja odavamate päikesepaneelide tootmisesse, kirjutab Eesti Noorte Teaduste Akadeemia liige Maarja Grossberg.
Läinud nädalal aset leidnud koolinoorte kliimastreigi valguses on paslik rääkida keskkonnasõbralikust taastuvenergeetikast, täpsemalt päikeseenergeetikast ja Eesti teadlaste panusest selle valdkonna arengusse. Päikeseelemente kui seadiseid, millede abil toimub päikeseenergia otsene fotoelektriline muundamine elektrienergiaks, peetakse üheks perspektiivsemaks ja keskkonnasõbralikumaks energiatootmise viisiks, ja seda just päikeseenergia universaalse kättesaadavuse tõttu.
Tallinna Tehnikaülikooli teadlaste aastatepikkune teadustöö pooljuhtmaterjalide valdkonnas on maailmale andnud ainulaadse struktuuriga päikeseelemendid ning jätkub töö uute materjalidega päikeseenergeetika rakendusteks. Nii mõnelgi võib tekkida küsimus, mida siin veel uurida – päikesepaneele, mis koosnevad päikeseelementidest, saab poest osta juba päris taskukohase hinnaga ja päikeseelektrijaamad kerkivad Eestiski nagu seened peale vihma ning nende arv on mitmel viimasel aastal vaid aastaga kahekordistunud. Päikesepaneelidesse investeeriv tarbija kaalub aga ennekõike nende hinna ja efektiivsuse suhet ning tasuvusaega. Vähem pööratakse tähelepanu materjalidele, millest päikesepaneel tehtud on. Just kasutatavad materjalid määravad aga nii päikesepaneeli hinna, efektiivsuse, keskkonnasõbralikkuse kui ka rakendusvõimalused.
Räni ja teised võimalused
Hetkel domineerivad päikesepaneelide turul erinevat tüüpi ränist valmistatud paneelid, mis hõlmasid 2018. aastaks 95 protsenti päikesepaneelide turust. Ka Eestis on valdavalt kasutusel just ränipõhised paneelid. Räni on küll Maal laialdaselt leiduv element, kuid kõrge kvaliteediga monokristalse räni tootmine on väga ressursi- ja energiamahukas, ehk siis mitte just kõige keskkonnasõbralikum. Päikesepaneelide valmistamine peaks aga olema keskkonnasõbralik nagu päikesepaneelidega elektri tootmine. Lisaks on ränipaneelid jäigad ja läbipaistmatud, mis on küll igati sobiv katusel või põllul asetseva päikeseelektrijaama jaoks, kuid nende jäikus saab takistuseks, kui soovitakse päikeseelemente ehitiste või toodetega integreerida. Näiteks elektrit tootvate aknakatete jaoks tuleks kasutada poolläbipaistvaid päikesepaneele, et mitte takistada kogu päikesevalguse jõudmist siseruumidesse. Päikeseelektril töötavate sõidukite puhul on jällegi oluline päikesepaneelide painduvus.
Ökoloogiline jalajälg
Teadlaste ülesandeks on välja töötada uued päikeseelemendid, milles sisalduvad materjalid ning millede valmistamise tehnoloogiad oleksid võimalikult väikese ökoloogilise jalajäljega ning mis võimaldaksid paneelide mitmekülgset rakendamist. Ehk siis päikesepatareis kasutatavad materjalid peaks olema keskkonnasõbralikud ning neis sisalduvate keemiliste elementide varud maakoores peaksid olema piisavad ja kättesaadavad. Viimane on eriti oluline, kui päikeseelektri tootmine viia maailma elektritööstuse süsinikuemissioonide vähendamisel eesmärgiks seatud teravati suurusjärku. Hetkel panustavad päikesepaneelid aga vaid 2 protsenti kogu maailma elektrienergia tootmisest.
Päikeseelemendi kõige olulisemaks komponendiks on absorbermaterjal, mille eesmärk on neelata maksimaalselt päikesekiirgust ja mis oleks samal ajal sobivate elektroonsete omadustega, et päikeseelement töötaks võimalikult suure efektiivsusega. Selliste päikeseelementide, milles on üks absorbermaterjal ja üks elektroonne siire, mille abil toimub päikeseelemendis laengukandjate eraldamine, maksimaalne teoreetiline efektiivsus ulatub 34 protsendini. Tööstuslike ränipaneelide efektiivsused ulatuvad hetkel kuni 22 protsendini, kuid teadlased töötavad endiselt efektiivsuse parandamise nimel. Teistel materjalidel baseeruvad tööstuslikud päikesepaneelid jäävad oma efektiivsuselt hetkel veel ränipaneelidele alla, kuid mitte enam oluliselt.
Kuidas päikeseelementide efektiivsust parandada?
Põhjuseks, miks päikeseelementide efektiivsused ei ulatu teoreetilise maksimaalse väärtuseni, on erinevad elektrilised ja optilised kaod päikeseelemendi erinevates osades. Suurt rolli mängib siinkohal absorbermaterjali kvaliteet, eriti selles sisalduvad defektid, mis igas materjalis alati suuremal või vähemal määral eksisteerivad. Teadlaste roll on teha kindlaks, millised defektid absorbermaterjalis on, milline on nende mõju päikeseelemendi tööle ja kuidas nende teket kontrollida. Niimoodi saame materjali defektistruktuuri juhtides parandada päikeseelementide efektiivsust.
Parimaks võimaluseks päikeseelementide efektiivsust oluliselt tõsta (üle 34 protsendi) on kasutada mitut absorbermaterjali korraga, et võimalikult suur osa päikese spektrist ära kasutada – selliseid struktuure nimetatakse tandem-päikeseelementideks. Tandem-päikeseelemendid on aktuaalne uurimisteema teadlaste seas, sest see ju tähendab, et väiksema pindalaga päikesepaneelidelt on meil võimalik saada oluliselt rohkem elektrienergiat. Vaba pinda, mida katta päikesepaneelidega pole aga ülearu palju eriti suurlinnades, mistõttu taskukohase hinnaga tandem-päikesepaneelide tehnoloogiad on väga oodatud.
Milleks uued materjalid?
Efektiivsuse kõrval ei tohi aga unustada kasutatavate materjalide keskkonnasõbralikkust. Uute päikeseelementide absorbermaterjalide uurimisega ja nende valmistamiseks sobivaima tehnoloogia väljatöötamisega tegelevadki teadlased üle maailma. Hetkel peetakse kõige perspektiivsemateks absorbermaterjalidekskeerulisi mitmekomponendilisi ühendeid, mida nimetataks perovskiitideks. Perovskiitidel põhinevaid päikeseelemente on odav toota ning nende efektiivsused laboritasemel on jõudnud kiiresti järgi räni elementidele. Kuid perovskiitidel on siiski mõned puudused, mis tuleks enne laiemat kasutuselevõttu likvideerida. Nimelt kaotavad nad liiga kiiresti oma efektiivsust ja just parimaid tulemusi andvad perovskiidid sisaldavad mürgiseid koosisosi.
Teiseks perspektiivseks alternatiiviks ränile on kalkopüriitsed ja kesteriitsed absorbermaterjalid. Kalkopüriitsel Cu(In,Ga)Se2 materjalil baseeruvad päikesepaneelid on tarbijale juba kättesaadavad, kuid ei suuda veel hinna poolest võistelda ränipaneelidega. Üheks põhjuseks on indiumi (In) ja galliumi (Ga) varude piiratus maakoores, mistõttu nad on kallid. Kesteriitsed absorbermaterjalid Cu2ZnSn(S,Se)4, mida ka käesoleva artikli autor oma teadusgrupiga Tallinna Tehnikaülikoolis uurib, koosnevad laialt levinud mittemürgistest elementidest ja on praeguseks poolel teel oma teoreetilise maksimaalse efektiivsuse poole. Töötame materjali valmistamise tehnoloogia täiustamise kallal, et vähendada praegu veel liiga suuri voolukadusid kesteriitidel põhinevates päikeseelementides. Oleme välja töötamas ka kesteriitsel absorbermaterjalil põhinevaid tandem-päikesepatareisid. Lisaks on töölaual ka mitmeid päris uusi ühendeid, mis omavad suurt potentsiaali, kuid mille uuringud on veel algusjärgus.
Materjalist päikesepatareini
Kui on leitud sobiv absorbermaterjal, järgneb kogu päikeseelemendi väljatöötamine. See tähendab, et tuleb leida absorbermaterjaliga sobituvad teised materjalide kihid, milledest igaühel on päikeseelemendis oma ülesanne ning milledele on samasugused keskkonnasõbralikud ootused. Iga materjali lisamine päikeseelemendi struktuuri lisab aga ka uusi võimalusi voolukadude tekkeks, mida püütakse erinevate tehnoloogiliste võtetega minimeerida. Päikeseelemente on väga erineva ehitusega, on monokristallidele üles ehitatud nagu räni-päikeseelemendid, on õhukesekilelised seadised ja kvantstruktuuridel põhinevad tuleviku päikeseelemendid. Hetkel võib kõige perspektiivsemaks pidada õhukesekilelisi päikeseelemente, mis näevad välja nagu kihilised võileivad, milles kõige paksem kiht on kõigest ühe mikromeetri paksune. Õhukesekilelised päikeseelemendid on kerged ja enamasti saab neid teha painduvate ning pool-läbipaistvatena, mis avavad neile võimalused mitmekülgseteks rakendusteks.
Erinevaid rakendusi võimaldab ka Tallinna Tehnikaülikoolis välja töötatud unikaalne monoterakiht päikeseelement, milles absorbermaterjal on väikeste kristallide kujul ja neist igaüks moodustab omaette päikeseelemendi. Kristallikeste vahel oleva polümeeri tõttu on sellist struktuuri lihtne teha nii pool-läbipaistavana kui painduvana. Antud tehnoloogia on juba tööstuslikus arendusfaasis. Üks näide monoterakiht-päikesepaneelist on toodud kõrvaloleval pildil.
Seega on uurimisel ja arendamisel mitmeid erinevaid materjale ning innovatiivseid päikeseelementide lahendusi päikeseenergeetika rakendusteks, mis võimaldavad muuta päikesepaneelide tootmise keskkonnasõbralikumaks, loovad mitmekülgseid ehitis- ja tooteintegreeritud rakendusvõimalusi päikeseelementidele ning muudavad päikeseelektri tarbijale taskukohasemaks.
Eesti Noorte Teaduste Akadeemia algatatud artiklisarjas «Milleks meile alusteadused?» tutvustavad erinevate valdkondade teadlased oma erialasid ning selgitavad, kuidas uudishimu poolt juhitud teadus võimaldab nihutada inimkonna teadmiste piire.