Tässä blogikirjoituksessa tutkimme aurinkokennoteknologian potentiaalia ja tulevaisuudennäkymiä ratkaisuna fossiilisten polttoaineiden ehtymiseen.
Maailmanlaajuisesti suurin osa energiankulutuksesta on riippuvainen fossiilisista polttoaineista, kuten öljystä, hiilestä ja maakaasusta. Fossiiliset polttoaineet ovat energiavaroja, jotka muodostuvat, kun miljoonia vuosia sitten maapallolla eläneiden organismien jäänteet hajoavat ja kerrostuvat tietyissä ympäristöolosuhteissa. Muodostumisprosessinsa luonteen vuoksi, joka kestää miljoonia vuosia, ne luokitellaan uusiutumattomiksi luonnonvaroiksi. Fossiilisten polttoaineiden kulutuksen jatkuvan kasvun vuoksi teollisen vallankumouksen jälkeen nämä varat ovat kuitenkin vähitellen ehtymässä. Lisäksi näiden fossiilisten polttoaineiden liiallinen käyttö aiheuttaa vakavia ympäristöongelmia, kuten kasvihuonekaasupäästöjä. Nämä ongelmat uhkaavat ihmiskunnan kestävää kehitystä, ja siksi kiinnostus vaihtoehtoisten energialähteiden kehittämiseen kasvaa maailmanlaajuisesti. Erilaisia vaihtoehtoisia energialähteitä, kuten aurinko-, tuuli-, biomassa- ja maalämpöenergiaa, tutkitaan parhaillaan. Erityisesti aurinkoenergia – joka ei ole sijainnista riippuvainen eikä aiheuta ympäristöongelmia – on saamassa merkitystä vaihtoehtona fossiilisille polttoaineille.
Aurinkokenno on laite, joka muuntaa ja varastoi valoenergiaa sähköenergiaksi. Yleisesti käyttämämme kuivaparistot ja ladattavat akut ovat kemiallisia kennoja, jotka eroavat aurinkokennoista. Kemialliset kennot tuottavat sähköenergiaa sisäisten materiaaliensa kemiallisten reaktioiden kautta. Siksi, kun esiasennettu materiaali on ehtynyt, ne eivät voi enää tuottaa virtaa. Aurinkokennot taas ovat fyysisiä kennoja, jotka hyödyntävät valosähköistä ilmiötä, jonka ansiosta ne voivat tuottaa virtaa loputtomiin, kunhan ulkoinen energialähde – valo – ei ehdy. Valosähköinen ilmiö viittaa ilmiöön, jossa metallista emittoituu elektroneja, kun se altistetaan tietyn tai suuremmalle valolle. Kun elektroni irtoaa, sen sanotaan olevan "virittyneenä". Jos se absorboi tulevan valon energian ja saa enemmän energiaa kuin alkuperäisessä tilassaan, se virittyy. Tällainen virittynyt elektroni voi joko palata alkuperäiseen asemaansa emittoimalla ylimääräisen energian tai paeta toiseen paikkaan pysyen virittyneessä tilassa. Elektronit valitsevat kussakin tapauksessa vakaimman reitin; aurinkokennot luovat olosuhteet, joissa elektronit valitsevat jälkimmäisen vaihtoehdon, jolloin ne voivat virrata piirin läpi.
Aurinkokennot kehitettiin ensimmäisen kerran Yhdysvalloissa vuonna 1945, ja niitä kutsutaan ensimmäisen sukupolven aurinkokenoiksi. Ensimmäisen sukupolven aurinkokennoissa on rakenne, jossa P-tyypin (positiiviset) ja N-tyypin (negatiiviset) puolijohteet, joilla on erilaiset sähköiset ominaisuudet, on liitetty yhteen. Koska pieni määrä epäpuhtauksia (boori ja fosfori) sekoitetaan piihin näiden kahden puolijohteen luomiseksi, niitä kutsutaan myös piiaurinkokenoiksi. Koska boori sisältää 5 elektronia ja fosfori 15 elektronia, fosforilla seostetussa N-tyypin puolijohteessa on enemmän elektroneja (-) kuin boorilla seostetussa P-tyypin puolijohteessa. Samasta syystä P-tyypin puolijohteessa on enemmän aukkoja – tyhjiä paikkoja, joista elektroneja puuttuu – joita kutsutaan "aukoiksi (+)". Kun valoenergia osuu PN-puolijohteen liitokseen, elektroneja emittoituu valosähköisen ilmiön vuoksi, mikä lisää elektronien ja aukkojen määrää kummassakin puolijohteessa. N-tyypin puolijohteen ylimääräiset elektronit yrittävät siirtyä kohti p-tyypin puolijohdetta, mutta ne eivät voi ylittää liitosta energiaeron vuoksi. Siksi, kun nämä kaksi puolijohdetyyppiä yhdistetään johdolla, n-tyypin puolijohteen ylimääräiset elektronit virtaavat johtoa pitkin kohti p-tyypin puolijohdetta.
Ensimmäisen sukupolven aurinkokennot saavuttavat jopa 25 %:n hyötysuhteen ja ovat kemiallisesti stabiileja. Ensimmäisen sukupolven aurinkokennot muodostavat tällä hetkellä yli 80 % aurinkokennomarkkinoista. Koska pii kuitenkin sekä absorboi valoa että johtaa elektroneja, hyötysuhde heikkenee piin puhtauden laskiessa, mikä vaatii suurta tarkkuutta valmistusprosessissa. Lisäksi, koska ensisijaisena raaka-aineena käytetään erittäin puhdasta piitä, tuotantokustannukset ovat erittäin korkeat. Niiden haittapuolena on myös joustamattomuus ja läpinäkymättömyys, mikä johtaa huonoon esteettiseen vetovoimaan.
Näiden ongelmien ratkaisemiseksi kehitetyissä toisen sukupolven aurinkokennoissa keskityttiin tuotantokustannusten alentamiseen. Koska aurinkokennot on asennettava laajamittaisesti laajoille alueille, alhaisemmat laitekustannukset johtavat suoraan alhaisempiin tuotantokustannuksiin. Toisen sukupolven aurinkokennot, jotka luodaan levittämällä ohut kerros valoa absorboivaa orgaanista väriainetta epäorgaaniselle alustalle, tunnetaan myös ohutkalvoaurinkokennona. Vaikka niiden toimintaperiaate on samanlainen kuin ensimmäisen sukupolven aurinkokennojen, elektronien absorptio ja kuljetus eivät tapahdu samanaikaisesti puolijohteen sisällä, vaan ne ovat erillään. Pii toimii yksinomaan kantajana, kun taas ohut, laajalle levinnyt orgaaninen väriaine absorboi aurinkoenergiaa. Näin ollen aurinkokennon hyötysuhde ei riipu piin puhtaudesta, mikä eliminoi kalliin 100 % puhtaan piin tarpeen. Lisäksi, koska toisen sukupolven aurinkokennot ovat ohuita, läpinäkyviä ja joustavia, niitä voidaan käyttää ikkunoiden, kasvihuoneiden ja pienten elektronisten laitteiden rakentamisessa. Koska ne ovat kuitenkin ohuita, niiden hyötysuhde on alhaisempi kuin ensimmäisen sukupolven aurinkokennojen.
Kolmannen sukupolven aurinkokennot, joita parhaillaan tutkitaan aktiivisesti, keskittyvät energiatehokkuuden parantamiseen säilyttäen samalla toisen sukupolven aurinkokennojen edut. Professori Gratzelin tiimin Sveitsin liittovaltion teknillisessä instituutissa vuonna 1991 kehittämät väriherkistetyt aurinkokennot (DSSC) hyödyntävät erittäin pieniä nanopartikkeleita ja vielä pienempiä väripolymeerejä. Vaikka aurinkoenergian absorption ja varauksen kuljetuksen erottelu on sama kuin toisen sukupolven aurinkokennoissa, erittäin pienten hiukkasten (nanohiukkasten ja väripolymeerien) käyttö pinta-alan lisäämiseksi tilavuusyksikköä kohti herätti merkittävää huomiota. Koska elektronit voivat liikkua vain kahden hiukkasen välisen kosketuspinnan läpi, nanopartikkeleita hyödyntävät väriherkistetyt aurinkokennot pystyivät saavuttamaan erittäin korkean energiatehokkuuden. Yhdysvaltain puolustusministeriön edistyneiden tutkimusprojektien virasto (DARPA) kehitti hybridi-tandem-aurinkokennon yhdistämällä useita aurinkokennoja, joilla on eri aallonpituusalueet. Käyttämällä laajaa aallonpituusaluetta energialähteinä ne lisäsivät tehokkuutta. Lisäksi MEG-aurinkokennot – joita parhaillaan tutkivat aktiivisesti yritykset, kuten Kolon ja Samsung – ovat parantaneet tehokkuutta mekanismin avulla, joka tuottaa kaksi tai useampia elektroni-aukko-pareja yhdestä valohiukkasesta. Pinoamalla useita PN-liitoksia pinnalle absorboitunut auringonvalo voi absorboitua ja absorboitua uudelleen useita kertoja.
Vaikka niiden hyötysuhde ei ole vielä riittävän korkea korvaamaan fossiilisia polttoaineita, toisin kuin kuluttavat kemialliset polttoaineet, aurinkokennojen energialähde on rajaton. Aurinkoenergiaa pidetään puhtaana energialähteenä, toisin kuin käyttämämme fossiiliset polttoaineet, ja se voi merkittävästi edistää maailmanlaajuisia pyrkimyksiä vähentää kasvihuonekaasupäästöjä. Näin ollen aurinkokennoteknologia on innovaatioiden vauhdittaja energia-alalla ja sen odotetaan olevan keskeisessä roolissa eri teollisuudenaloilla. Lisäksi erilaisilla periaatteilla toimivien aurinkokennojen ilmaantuminen ja näiden kennojen jatkuvasti kasvava hyötysuhde osoittavat potentiaalia jatkotutkimukselle, kehitykselle ja käytännön sovelluksille. Ei kestä kauan, kun näemme erilaisia kaupallisia aurinkokennoja.
