Eesti teadlaste uus lähenemine teeb päikesepaneelid efektiivsemaks ja odavamaks

TTÜ teadlaste poolt väljatöötatud järgmise põlvkonna kerge ja painduv monoterakiht-päikesepatarei. Foto: Jüri Krustok

Tallinna Tehnikaülikooli materjaliteadlased on kaheaastase ühisprojekti tulemusena täiustanud uue põlvkonna päikesepatareide efektiivsust, asendades sealses absorbermaterjalis osaliselt vase hõbedaga.

Majanduse areng ja üldine tarbimiskasv suurendab nõudlust ka keskkonnasäästliku ning samas odavama energiatootmise järele. Selleks otsitakse võimalusi eelkõige taastuvenergeetikast. Uusi energiatootmise tehnoloogiaid iseloomustavad märksõnad on jätkuvalt puhtus, odavus, keskkonnasõbralikkus ja mitmekülgsed kasutusvõimalused, mistõttu päikeseenergeetika on täna parim lahendus. Päikeseenergeetika uue põlvkonna – monoterapulbril põhinevate päikesepaneelide – arendamisega tegelevadki TTÜ materjaliteadlased.

«Klassikaliste 1950ndatel alguse saanud räni-päikesepaneelide tootmine on jätkuvalt väga ressursi- ja energiamahukas. Meie oleme keskendunud aga päikesepaneelide uue põlvkonna, ehk ühendpooljuhtmaterjalide baasil valmistatud nn õhukesekileliste päikesepaneelide arendamisele,» selgitas Tehnikaülikooli teadlaste grupi sihte päikeseenergeetika materjalide labori juhataja vanemteadur Marit Kauk-Kuusik.

Lahtiseletatult koosneb õhukesekileline päikesepaneel õhukestest materjalikihtidest. Selliste päikesepaneelide valmistamiseks peab kasutama väga hea päikesevalguse neelamisvõimega pooljuhtmaterjale. Kuna paneelide tootmiseks pikalt kasutatud räni päikesevalguse neelamisvõime pooljuhis pole eriti kõrge, kasutavad TTÜ teadlased selle asemel hoopis pooljuhtühendit kesteriiti (Cu₂ZnSn(Se,S)₄), mis sisaldab looduses laialt levinud ja mitte eriti kalleid erinevaid keemilisi elemente (näiteks vaske, tsinki, tina, väävlit ja seleeni). Kesteriidi valmistamiseks kasutavad teadlased aga maailmas ainulaadset monoterapulbertehnoloogiat.

«Meie arendatav monoterapulbertehnoloogia eristub ülejäänud maailmas kasutatavatest sarnase struktuuriga päikesepaneelide tootmise tehnoloogiatest oma meetodi poolest. Üldiselt on levinud õhukesekileliste struktuuride valmistamiseks peamiselt vaakumaurustamise- või vaakumpihustustehnoloogiaid, mis on võrreldes monoterapulbertehnoloogiaga oluliselt kulukamad,» selgitab Marit Kauk-Kuusik.

Pulbertehnoloogia on protsess, kus spetsiaalses kamberahjus kuumutatakse 750 kraadi juures keemilisi komponente neli päeva. Seejärel saadud mass pestakse ja sõelutakse spetsiaalsetes masinates. Sünteesitud kõrgekvaliteediline mikrokristalne pulber, monoterapulber, lähebki kasutusse päikesepaneelide valmistamiseks. Pulbertehnoloogia erineb teistest tootmisviisidest eelkõige oma odavuse poolest, kuna sel puhul puudub vajadus kallite kõrgvaakumseadmete järele.

Tekkinud monoterapulber koosneb iselaadsetest mikrokristallidest, mis moodustavad suures paneelis üliõhukese puhverkihiga kaetuna igaüks omalaadse miniatuurse päikesepatarei. See annab aga materjalile nn eelmise põlvkonna ehk räni baasil tehtud päikesepaneelidega võrreldes tohutud eelised: ta on kerge, painduv, saab olla ka läbipaistev, olles samal ajal keskkonnasõbralik ja oluliselt vähem kulukas.

Päikesepaneelide puhul on efektiivsus ehk päikesevalgusest kättesaadava energia hulk oluline näitaja. Efektiivsus sõltub lisaks paneelis kasutatud materjalide omadustele ja päikesepatarei struktuurile ka päikesevalguse intensiivsusest, langemisnurgast ja temperatuurist.

Ideaalsed tingimused päikesepaneeli suurima efektiivsuse saavutamiseks on külmas päikselises mäestikus, mitte aga kuumas kõrbes, nagu eeldada võib, sest soojus ei suurenda paneeli efektiivsust. Iga päikesepaneeli jaoks on võimalik välja arvutada maksimaalne teoreetiline efektiivsus, mida seni on olnud reaalsuses siiski paraku võimatu saavutada. Aga see on eesmärk, mille poole püüelda.

«Meie oleme oma arendustöös jõudnud punkti, kus kesteriitses absorbermaterjalis osaliselt vaske hõbedaga asendades on võimalik suurendada paneeli efektiivsust 2 protsenti. Seda põhjusel, et vask on oma olemuselt väga liikuv, muutes päikesepaneeli töö seega ebastabiilsemaks. Lisades aga vase asemel 1 hõbedat, parandati efektiivsust 6,6 protsendilt 8,7 protsendini,» kinnitas Marit Kauk-Kuusik.

Arendatud tehnoloogia on juba praegu võetud pilootprojektina kasutusele Eesti-Austria ühisettevõttes Crystalsol GmbH. Selleks, et meie teadlaste väljatöötatud tehnoloogial valmistatud päikesepaneelid masstootmisse jõuaksid, soovitakse viia nende efektiivsus 15 protsendini.