Aurinkosähkö (photovoltaic) on suosituin energian keräämismuoto. Käytetyimmät muodot cSi, aSi maalla ja Ge-GaAs avaruudessa. Aurinkokenno muuntaa valon sähköksi. s.68 eka kalvo.
Etuja:
- halpa hinta
- ohut
- ei liikkuvia osia
- kevyt
- tehokas
- matala jännite
- tulevaisuudessa myös UV-säteilyn ja infrapunasäteilyn (infrared radiation) hyödyntäminen
- läpinäkyvyys
Käyttö:
- satelliiteista laskimiin
- pihavalot
- liikenne varusteet
Aurinkokennojen valmistuksessa on kennotyypeistä riippumatta ongelmia. Ensimmäisen sukupolven kennoilla, eli piistä valmistetuilla kennoilla on kalliit valmistuskustannukset. Toisen sukupolven kennoilla, jotka ovat valmistettu ohuista CIGS-kalvoista, on pieni hyötysuhde verrattuna piikennoihin. Haasteena on toteuttaa kolmas sukupolvesta edullisesti ja hyvällä hyötysuhteella.
DSSC photovoltaic solar sail
Galliumarsenidi (GaAs)
Markkinat
Aurinkosähkö vahvistaa sijaansa energian tuotannossa. Vuonna 2008 Espanja oli suurin aurinkosähkön tuottaja maailmassa. Vuoteen 2040 mennessä aurinkosähköllä tuotetaan 25% maailman energian tarpeesta. Aurinkosähköön keskittyvistä yrityksistä suurin osa sijaitsee Saksassa, pääosin tutkimuslaitosten, tavaran tuojien ja tuottajien kattavan verkoston ansiosta.
Aurinkosähköteknologioita
Yksikiteinen pii (Crystalline Silicon, cSi)
Haasteet:
- ei printattava
Amorfinen pii (Amorphous Silicon, aSi)
Amorfisen piin avulla energiaa voidaan kerätä jopa 75 asteen lämpötilasta, joka on verrattain matala. Tämä mahdollistaa kennomateriaaliksi lasin ohella muovin.
- tulevaisuus? halvempi tuotanto, korkean tason sovellukset
Edut:
- ohut
- joustava
- tehokas
Haasteet:
- epästabiili
- ei printattava
- ei voida rullata tiukasti
- suorituskyky/tehokkuus 6,5-8%
Kadmiumtelluridi (Cadmium Telluride, CdTe)
Keräyslaitteen pinnalla on erittäin ohut kadmiumsulfidi-kerros, joka mahdollistaa auringonvalon läpäisyn CdTe-kerrokseen. Suurenkaan luokan CdTe-moduulien käyttö ei ole aiheuttanut terveys- tai ympäristöongelmia huolimatta siitä, että kadmium on myrkky. Kadmiumin käyttö ei myöskään tuottanut saasteita.
Edut:
- halvin
Ongelmat:
- kadmium on myrkyllistä
- ongelmajätteen kontrollointi
- ei sovellu kuluttaja hyödykkeisiin
Haasteet:
- ei ole vielä onnistuttu printtaamaan
- ei voida rullata tiukasti
- suorituskyky/tehokkuus 9-11%
CIS ja CIGS
Kupari-indiumdiselenidi (Copper Indium Diselenide, CIS), erityisesti Kupari-indium gallium diselenidi (Copper Indium Gallium Diselenide, CIGS).
Jokainen CIGS-kenno muodostuu molybdeenistä (molybdenum, Mo), p-tyypin puolijohteesta CIGS ja n-tyypin puolijohteesta esim. sinkkioksidi ZnO (Zinc oxide) ja puskurina toimii CdS (Cadmium Sulphide). Eri puolijohdemateriaaleista syntyy heteroliitos.
Linkin kuvassa poikkileikkaus CIGS-aurinkokennoon. Kerrokset ylhäältä alas ZnO, CdS, CIGS ja Mo.
Edut:
- halpa
- pitkäikäinen
- läpinäkyvä
- ei jäteongelmia
- printattava
Haasteet:
- indiumin hinta ja riittävyys, loppuu 5-10 vuoden päästä?
- suorituskyky/tehokkuus 9-11%
Väriaineaurinkokenno (Dye Sensitised Solar Cells, DSSC)
DSSC:n hyötysuhde on jäänyt vielä toivottua alhaisemmaksi, toisaalta hinnan ja tehokkuuden suhde on hyvin kilpailukykyinen. Kennot toimivat kemiallisten reaktioiden avulla, reaktion aikaansaamiseksi tarvitaan elektrolyyttiä.
Pääosat: elektrodi(plus), elektrolyytti ja elektrodi(miinus). Kuva DSSC:n rakenteesta. Elektrolyytti koostuu TiO2:sta (Titaanidioksidi, Titanium dioxide), väriaineesta ja ioneista. Ruteenipohjainen väriaine vangitsee fotoneita ja vapauttaa elektroneja.
webhotel2.tut.fi/units/smg/tp/kurssit/SMG-4450/DSSC1.pdf
Edut:
- toimii kaikella valolla myös polarisoidulla
- low level
- raaka-aineet edullisia
- läpinäkyvä
- jyrkkä valon tulokulma
- läpinäkyvyys/värit
- ei jäteongelmia
- printattava
Haasteet:
- stabiilius
- nesteiden käsittely
- 5 vuoden elinikä?
- ruteniumin hinta
- suorituskyky/tehokkuus 10-15%
Orgaaninen (Organic) – polymer or small molecule – made chemically
active by light so needs excellent barrier layers
Edut:
- mahdollisuudet halvimmaksi
- printattava, helposti myös laajoille alueille
- tiukasti rullattavissa
- taiteltava
- stabiili
Haasteet:
- tulevaisuudessa mahdollisuus suihkuttaa suoraan objektiin
- yhden vuoden elinikä tai kalliit barrier layers
- suorituskyky/tehokkuus 2-6%
Others such as silicon nanoparticle ink, carbon nanotube
CNT and quantum dots
Monikerrosliitos (Multijunction, myös Cascade, Tandem)
Monikerrosliitoslaite on pino yksittäisiä liitoskennoja (single junction cell). Päällimmäinen kenno kerää korkean energian fotoneita ja päästää loput fotoneista lävitseen seuraavaan tasoon, jotka taas vuorostaan absorvoivat fotoneita.
Monikerrosliitokset voivat saavuttaa suurimman kokonaismuuntohyötysuhteen, koska ne voivat muuntaa valoa sähköksi suuremmalta osalta enegiajakaumaa.