TalTechi materjaliteadlased loovad uue põlvkonna päikesepaneele

TalTechi teadlased loovad päikesepaneele üliõhukestest monoterapulbril põhinevatest materjalikihtidest. Uudseid päikesepaneele iseloomustab väiksem materjalikulu, väiksem kaal võrreldes tavapäraste ränipõhiste paneelidega ning keskkonnahoidlikum tootmine.

Euroopa Liidu 2050. aastaks seatud kliimaneutraalsuse eesmärgi täitmiseks tuleb suurendada päikeseelektri tootmisvõimsusi. Selleks tuleb praegu turul domineerivate esimese põlvkonna ränipõhiste päikesepaneelide kõrvale välja töötada väiksema ökoloogilise jalajäljega, tõhusamaid ja mitmekülgsemaid rakendusi võimaldavaid tehnoloogiaid.

Tehnikaülikooli päikeseenergeetika materjalide ja optoelektroonsete materjalide füüsika teaduslaborite koostöös ilmus väljaandes Solar Energy artikkel „The effect of S/Se ratio on the properties of Cu₂CdGe(S_xSe_1−x)₄ microcrystalline powders for photovoltaic applications”, milles keskenduti uue põlvkonna – monoterapulbril põhinevate päikeseelementide arendamisele.

Artikli ühe autori, Taltechi päikeseenergeetika materjalide teaduslabori juhi, vanemteadur Marit Kauk-Kuusiku sõnul koosnevad erinevalt laialtlevinud ränipõhistest päikesepaneelidest järgmise põlvkonna paneelid üliõhukestest materjalikihtidest. Et selliseid päikesepaneele valmistada tuleb kasutada võimalikult hea päikesevalguse neelamisvõimega pooljuhtmaterjale. Teadupärast pole räni päikesevalguse neelamisvõime eriti kõrge, mistõttu on absorbermaterjali kihid suhteliselt paksud. See teeb omakorda päikesepaneelid raskeks ja jäigaks. TalTeci teadlased uurisid ühendpooljuhtmaterjali Cu₂CdGe(S_xSe_1−x)₄ kasutamisvõimalusi päikeseelektri tootmiseks. Uuriti väävli (S) ja seleeni (Se) omavahelise suhte mõju absorbermaterjali optoelektroonsetele omadustele, et päikesekiirguse spektrist maksimumi võtta.

Uued lahendused on innovaatilisemad

Päikesepatarei toimib teadupärast fotoefekti printsiibil, ehk energiatootmine saab toimuda vaid valguse mõjul. Päikesepatarei absorberiks on materjal, mille ülesandeks on võimalikult hästi valgust neelata ja seda just päikesekiirguse spektri piirkonnas. Lisaks peab absorbermaterjali neeldumiskoefitsent olema võimalikult kõrge, mis tähendab, et kogu talle peale langev valgus neeldub juba väga õhukeses materjalikihis. Seega kulub ka sellise absorberi valmistamiseks vähem materjali kui madalama neeldumiskoefitsendiga absorberi puhul. Nii ongi näiteks ränist kui madala neeldumiskoefitsendiga materjalist valmistatud absorberid 150–200 mikromeetri paksused, seevastu tänapäevased, monoterapulbril põhinevad absorbermaterjali kihid saavad olla 5–10 korda õhemad (10–30 mikromeetri paksused). See vähendab automaatselt ka päikeseelemendi kaalu.

Väiksem päikeseelemendi kaal tähendab ka väiksemat materjalikulu. „Oluline on senistele, aastakümneid vaid ränipõhistele päikesepaneelidele pidevalt uusi alternatiive otsida,“ kinnitas Marit Kauk-Kuusik. Suund selles on ikka keskkonnasõbralikkuse ja üldise säästlikkuse suunas. Peale materjali- ja kaalukao on uued lahendused ka tunduvalt innovaatilisemad.

Kui traditsiooniliselt on päikesepaneelide tootmiseks kasutusel kulukad vaakumaurustamise- või vaakumpihustustehnoloogiaid, siis TalTechi materjaliteadlaste kasutatavas unikaalses monoterapulbertehnoloogia protsessis kõrgvaakumseadmeid ei kasutata. Mikrokristallidest koosnev pulber sünteesitakse sulasoola keskkonnas kvartsampullis spetsiaalses kamberahjus. Saadud mass pestakse ja fraktsioneeritakse sõelumismasinas ning tekkinud kõrgekvaliteedilist mikrokristalset pulbrit (monoterapulbrit) kasutataksegi päikesepaneelide valmistamiseks.

Uue põlvkonna päikesepaneelidel on mitmeid eeliseid

„Kuna meie pulbertehnoloogial saadud monoterapulber koosneb mikrokristallidest, mis moodustavad suures paneelis igaüks omamoodi miniatuurse päikesepatarei, annab see sellele materjalile võrreldes räni baasil loodud päikesepaneeliga arvukalt eelised: ta on kerge, painduv, saab olla ka poolläbipaistev, olles samal ajal keskkonnasõbralik. Samuti on materjali tootmine on oluliselt vähem ressursimahukas,“ ütles Kauk-Kuusik.

Marit Kauk-Kuusiku sõnul on Tehnikaülikoolis loodud päikesepatarei kasutegur 6,4%. See on pisut suurem kui maailma esimesel, ränibaasil loodud patareil aastakümneid tagasi. Seega on tegemist lootustandva tulemusega. Samuti on ta kindel, et suuremate kasutegurite saavutamiseks ei kulu 30–40 aastat, nagu räniühendi puhul, vaid hakkama saadakse tunduvalt lühem ajaga.

Allikas ja foto: TalTech