Kolmannen sukupolven aurinkokennot

Viime vuosien tapahtumat ovat muistuttaneet jokaista energian merkityksestä yhteiskunnalle. Energiasektorilla tapahtuvat asiat koskettavat jokaista: energia on samaan aikaan ilmastonmuutoksen torjumista, geopolitiikkaa, yhteiskunnallisia suhteita, huoltovarmuutta, omavaraisuutta, luontokadon hillitsemistä sekä sähkö- ja lämmityslaskuja. Energiantuotanto herättää monissa vahvoja tunteita eikä syyttä, sillä onhan pelissä koko yhteiskunnan pyörittäminen.

Globaalisti noin 80 % kaikesta energiasta tuotetaan polttamalla fossiilisia polttoaineita: hiiltä, maakaasua ja öljyä. Tämä muun muassa voimistaa kasvihuoneilmiötä, happamoittaa vesistöjä, lisää sään ääri-ilmiöitä kuten tulvia ja helleaaltoja, köyhdyttää luonnon monimuotoisuutta sekä vaarantaa maanviljelyn ja ruuantuotannon. Toisin sanoen fossiilisten polttoaineiden polttaminen vaarantaa oman olemassaolomme.

Uusiutuviin ja vähäpäästöisiin energianlähteisiin siirtyminen onkin energiasektorin ja koko ihmiskunnan tärkein haaste. Esimerkiksi Kiina tavoittelee hiilineutraaliutta vuoteen 2060 mennessä, kun taas Euroopan unionin tavoitteena on olla hiilineutraali jo vuonna 2050. Suomen ilmastotavoitteet ovat vielä kunnianhimoisemmat: hiilineutraalius olisi tarkoitus saavuttaa jo vuonna 2035.

Teknologian aiheuttama ongelma on myös ratkaistava teknologian avulla. Fossiilisista polttoaineista luopuminen jättää jälkeensä jättimäisen aukon, joka on korvattava vaihtoehtoisilla ja puhtailla energiantuotantomuodoilla. Tässä tehtävässä huomattavassa roolissa ovat aurinkopaneelit, joiden merkitys vihreälle siirtymälle on jo nyt merkittävä. 

Aurinkosähkön perusteet

Aurinkoenergian potentiaali energiantuotannolle on valtava: Maapallon pinnalle säteilee yhden tunnin aikana enemmän energiaa kuin mitä koko ihmiskunta kuluttaa kokonaisen vuoden aikana. Myös aurinkopaneelisovellusten kirjo on valtava: järjestelmien koko vaihtelee yhden paneelin mökkijärjestelmistä aina voimalaitosten tuotantokokoluokan aurinkopuistoihin. Aurinkokennot soveltuvat myös erinomaisesti esimerkiksi pienelektroniikkaan sekä sähköverkon ulkopuolisiin kohteisiin. Käyttökohteet vaihtelevatkin taskulaskimista laivoihin, ja mökeistä avaruusaluksiin. 

Aurinkosähkö on uusiutuva energianlähde, jonka hiilijalanjälki ja ympäristövaikutukset ovat matalia. Lisäksi aurinkopaneelit vaativat vain minimaalista ylläpitoa, eikä niihin juuri liity juoksevia kuluja. Aurinkosähköteknologian kehitys on kiivasta: paneelien tehokkuus kasvaa kasvamistaan samalla kun vuosikymmeniä jatkunut hintakäyrän lasku jatkaa putoamistaan. 

Aurinkopaneeli koostuu pienemmistä yksiköistä, aurinkokennoista. Perinteisen aurinkokennon toimintaperiaate perustuu valosähköiseen ilmiöön ja piin ominaisuuksiin puolijohteena. Pii on alkuaine, joka johtaa sähköä paremmin kuin eristeet, mutta kuitenkin heikommin kuin metallit. Siten jo auringonvalon sisältämä energia riittää irrottamaan elektronin piiatomin elektronikuorelta. Valofotoni siis absorboituu atomiin, ja vapauttaa elektronin kulkemaan vapaasti piiatomien muodostamassa kristallirakenteessa. Piin puolijohdeominaisuuksia hyödyntämällä aurinkokennon sisälle luodaan sähkökenttä, joka ohjaa vapaana kulkevat elektronit kulkemaan haluttuun suuntaan, jolloin aurinkokennosta saadaan ulos sähkövirtaa. Yli 90 % kaikista markkinoilla olevista aurinkopaneeleista perustuvat tällaisiin piistä valmistettuihin aurinkokennoihin. 

Perinteisten aurinkokennojen heikkoudet

Aurinkokennon keskeinen rajoite liittyy energian kvantittumiseen. Piin elektronikuorella sijaitseva elektroni tarvitsee tarpeeksi korkean energiakvantin irrotakseen atomirakenteesta: 1.1 elektronivolttia. Tätä alhaisemmat fotonit eivät pysty irrottamaan elektronia, kun taas korkeamman energian fotonit irrottavat elektronin, mutta haaskaavat ylimääräisen energian hukkalämmöksi. Auringonvalo koostuu suuresta joukosta eri energiatasojen fotoneja, eli kaikkea sen sisältämää säteilyenergiaa ei siis aurinkokenno pysty muuttamaan sähköksi. Auringonvalon spektrin yhteensopimattomuudesta johtuvaa aurinkokennon teoreettista maksimihyötysuhdetta kutsutaan Shockley-Queisser-hyötysuhteeksi, ja sen arvo on noin 33,3 %.  

Perinteiset piistä valmistetut aurinkokennot ovat verrattain paksuja, ja niiden valmistuksessa käytetään runsaasti nestemäisessä olomuodossa olevaa puhdasta piitä. Tällaisen piin jalostus on erittäin energiaintensiivistä. Lisäksi aurinkopaneelit sisältävät myrkyllisiä raaka-aineita, kuten lyijyä ja tinaa, joiden joutuminen ympäristöön voi aiheuttaa vaaraa ihmisille ja luonnolle. Euroopassa ei juuri ole omaa aurinkopaneelituotantoa, ja noin 80 % kaikista aurinkopaneeleista valmistetaankin Kiinassa. Aurinkopaneelien kierrätysmenetelmät eivät tällä hetkellä ole taloudellisesti kannattavia, ja elinkaarensa lopun saavuttaneet paneelit päätyvätkin tällä hetkellä elektroniikkaromun mukana SER-jätteeseen. 

Kolmannen sukupolven aurinkokennot

Miltä kuulostaisi aurinkokenno, joka pystyisi ylittämään teoreettisen 33,3 % hyötysuhderajan? Entäpä aurinkokenno, joka olisi valmistettu kierrätettävistä, myrkyttömistä ja orgaanisista materiaaleista? Tai läpinäkyvä ja väritön aurinkopaneeli, joka voisi tuottaa sähköä vaikkapa ikkunaan integroidussa järjestelmässä? Tai ulkonäöltään värjättyä lasia muistuttava aurinkopaneeli, joka hyödyntää niin laajaa valon spektriä, että soveltuu sähköntuotantoon jo sisätilojen hajavalossa? Mitäpä jos vielä kirsikkana kakun päällä tällainen aurinkokenno olisi rakenteeltaan joustava ja taivutettava, valmistettu yleisistä raaka-aineista ja olisi halvempi kuin perinteiset aurinkokennot? Toivottakaamme tervetulleeksi kolmannen sukupolven aurinkokennot!

Aurinkokennojen kolmas sukupolvi on kokoelma erilaisia vaihtoehtoisia aurinkosähköteknologioita, joita yhdistää pyrkimys ylittää Shockley-Queisser-hyötysuhderaja pitämällä kuitenkin valmistuskustannukset mahdollisimman matalina. Muita yleisesti haviteltuja ominaisuuksia ovat muun muassa myrkyttömät valmistusmateriaalit, keveys ja valmistusmenetelmien joustavuus. Teknologioiden kirjo on melko laaja, mutta kolmena lupaavimpana pidetään perovskiitti-kennoja, väriaineherkistettyjä kennoja ja orgaanisia kennoja. 

Perovskiitti-kennot

Perovskiitti-kennojen vahvuus on korkea hyötysuhde. Nimensä teknologia on saanut kennojen valmistuksessa käytettävien materiaalien kiderakenteesta, joka on samanlainen kuin perovskiitti-mineraalilla. Perovskiitti-kennot ovat rakenteeltaan joustavia ja kevyitä, ja niiden valmistuskustannukset ovat matalat. Teknologian kehitys on ollut poikkeuksellisen nopeaa: vuonna 2009 perovskiitti-kennojen ennätyshyötysuhteeksi mitattiin 3,9 %, kun vuonna 2023 yllettiin jo arvoon 25,7 %.

Eräs perovskiitin erityispiirteistä on, että sen herkkyyttä valon eri aallonpituuksille voidaan muokata. Teknologiaa voidaan hyödyntää sellaisenaan, mutta täyteen loistoonsa se kuitenkin pääsee niin kutsutuissa yhdistelmäkennoissa, joissa useampi päällekkäin ladottu aurinkokenno hyödyntää valon spektrin eri osia. Piin ja perovskiitin yhdistelmäkennolla on onnistuttu saavuttamaan jopa 34 % hyötysuhde

Väriaineherkistetyt kennot

Väriaineherkistettyjen aurinkokennojen toimintaperiaate jäljittelee yhteyttävää kasvisolua. Sähköntuotanto perustuu väriaineille, jotka virittyvät auringonvalon välittämästä energiasta ja luovuttavat elektroninsa kennossa oleville titaanidioksidi-nanopartikkeleille. Titaanidioksidi on pelottavasta nimestään huolimatta harmiton kemikaali, jota käytetään esimerkiksi maaleissa, aurinkorasvoissa ja jopa elintarvikevärinä. Aurinkokennojen väriaineet voidaan valmistaa luonnon omista raaka-aineista, kuten vadelman, mustikan tai päivänkakkaran pigmenteistä.

Väriaineherkistettyjen aurinkokennojen vahvuuksia ovat matalat valmistuskustannukset, esteettinen miellyttävyys ja kyky tuottaa sähköä jo matalassa valaistuksessa. Ulkonäöltään väriaineherkistetyt aurinkokennot muistuttavat värjättyä lasia. Ne ovat läpinäkyviä, ja niiden muodot ja koot vaihtelevat. Korkein laboratoriossa saavutettu hyötysuhde on ollut 15,2 %, eli suorituskyvyssään teknologia jää vielä toistaiseksi useiden kennoteknologioiden jalkoihin.

Orgaaniset kennot

Orgaaniset kennot ovat nimensä mukaisesti aurinkokennoja, joiden toimintaperiaate perustuu orgaanisiin molekyyleihin tai polymeereihin. Kennot koostuvat kahdesta elektrodista, joiden välissä on yksi tai useampi kerros valon energiaa absorboivaa orgaanista materiaalia. Kennoissa käytetään tyypillisesti useamman eri orgaanisen aineen seosta, joka käyttäytyy puolijohteen kaltaisesti. Orgaanisten aurinkokennojen tähän mennessä korkein saavutettu hyötysuhde on 19,2 %. 

Orgaaniset aurinkokennot ovat rakenteeltaan joustavia, ja niiden valmistusmateriaalien hupenemisesta ei ole pelkoa: erilaisten orgaanisten aineiden syntetisointi on halpaa, helposti toteutettavissa ja prosessi kuluttaa huomattavasti vähemmän energiaa ja raakamateriaalia kuin perinteisten aurinkokennojen valmistus. Potentiaalisten orgaanisten yhdisteiden kirjo on laaja, ja orgaanisten aurinkokennojen ominaisuudet ovatkin helposti modifioitavissa erilaisiin käyttökohteisiin. 

Näkymät

Kolmannen sukupolven aurinkosähköteknologiat ovat vielä tutkimusasteella, eivätkä ne toistaiseksi ole onnistuneet saavuttamaan kaupallista tai suuremman mittaluokan tuotantoa. Haasteita on aiheuttanut muun muassa aurinkokennojen lyhyt elinikä ja suorituskyvyn heikkeneminen vaativammissa sääolosuhteissa. Näiden ongelmien ratkominen onkin tällä hetkellä kovan tutkimuksen kohteena. Haasteistaan huolimatta kolmannen sukupolven aurinkokennoissa on huikea potentiaali: korkeammat hyötysuhteet, matalammat valmistuskustannukset ja kestävämmät materiaaliratkaisut ovat erinomaisia tukipilareita puhtaammalle tulevaisuudelle. 

Lähteet:

Chen, P.-H.; Chen, W.-S.; Lee, C.-H.; Wu, J.-Y. Comprehensive Review of Crystalline Silicon Solar Panel Recycling: From Historical Context to Advanced Techniques. Sustainability 2024, 16, 60.

IEA (2023), Energy Statistics Data Browser, IEA, Paris https://www.iea.org/data-and-statistics/data-tools/energy-statistics-data-browser

IEA (2021), An energy sector roadmap to carbon neutrality in China, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/an-energy-sector-roadmap-to-carbon-neutrality-in-china, Lisenssi: CC BY 4.0

Jenking, N. & Ekanayake, J. (2017). Renewable Energy Engineering, Cambridge University Press, Luku 5 – Photovoltaic Systems

Kortetmäki, A., Lehto, I., Heikkilä, T., Orrberg, M., Ylinen, M., Andersen, M., Nikander, M. (2023), Aurinkosähköjärjestelmien suunnittelu ja toteutus, Sähkötieto ry, Luku 2 – Aurinkopaneelien toimintaperiaate

Solak EK, Irmak E. Advances in organic photovoltaic cells: a comprehensive review of materials, technologies, and performance. RSC Adv. 2023 Apr 19;13(18):12244-12269.

Shah, N.; Shah, A.A.; Leung, P.K.; Khan, S.; Sun, K.; Zhu, X.; Liao, Q. A Review of Third Generation Solar Cells. Processes 2023, 11, 1852.

Ympäristöministeriö, Suomen kansallinen ilmastopolitiikka, Verkkojulkaisu, https://ym.fi/suomen-kansallinen-ilmastopolitiikka, viitattu 24.7.2024