Euroopa Liit on otsustanud võtta ette mastaapse reformi Euroopa rohelise kokkuleppe (roheleppe) nime all, mille eesmärgiks on muuta Euroopa aastaks 2050 esimeseks kliimaneutraalseks maailmajaoks. Kõige suuremad muutused ootavad ees energiatootmise sektorit, kus seisab ees täielik üleminek taastuvenergiaallikatele, kaasa arvatud päikeseenergeetika. Et jõuda päikeseelektri tootmise võimsustes vajaliku teravati mahuni, tuleb päikesepaneelide maastikul domineerivate esimese põlvkonna ränipõhiste päikesepaneelide kõrvale välja töötada väiksema ökoloogilise jalajäljega, efektiivsemad ja mitmekülgsemaid rakendusi võimaldavad tehnoloogiad.
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(SxSe1−x)4 microcrystalline powders for photovoltaic applications”, milles keskenduti uue põlvkonna - monoterapulbril põhinevate päikeseelementide arendamisele.
Artikli üks autoritest, Taltechi päikeseenergeetika materjalide teaduslabori juht, vanemteadur Marit Kauk-Kuusik: „Erinevalt laialtlevinud ränipõhistest päikesepaneelidest koosnevad järgmise põlvkonna päikesepaneelid üliõhukestest materjalikihtidest. Selliste paneelide valmistamiseks peab kasutama võimalikult hea päikesevalguse neelamisvõimega pooljuhtmaterjale. Teadupärast pole räni päikesevalguse neelamisvõime eriti kõrge, mistõttu on absorbermaterjali kihid suhteliselt paksud, mis teeb omakorda päikesepaneelid raskeks ja jäigaks. Meie uurimistöö fookuses oli ühendpooljuhtmaterjali Cu2CdGe(SxSe1−x)4 kasutamisvõimaluste analüüs päikeseelektri tootmises. Keskendusime selles uuringus väävli (S) ja seleeni (Se) omavahelise suhte mõjule absorbermaterjali optoelektroonsetele omadustele, et päikesekiirguse spektrist maksimumi võtta.“
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 seda, et kogu talle peale langev valgus neeldub juba väga õhukeses materjalikihis. Mis omakorda tähendab seda, et absorberi valmistamiseks kulub ka vähem materjali kui madalama neeldumiskoefitsendi puhul. Nii ongi näiteks ränist kui madala neeldumiskoefitsendiga materjalist valmistatud absorberid 150-200 mikromeetri paksused, seevastu kaasaegsed, monoterapulbril põhinevad absorbermaterjali kihid saavad olla 5-10 korda õhemad (ehk 10-30 mikromeetri paksused). See vähendab automaatselt ka päikeseelemendi kaalu.
Väiksem päikeseelemendi kaal tähendab ka väiksemat materjalikulu, mis meie praegusel keskkonnateadlikkuse kasvu ja rohepöörde ajastul pole mõistagi vähetähtis. „Oluline on senistele, aastakümneid vaid ränipõhistele päikesepaneelidele pidevalt uusi alternatiive otsida,“ kinnitab Marit Kauk-Kuusik. Suund selles on ikka keskkonnasõbralikkuse ja üldise säästlikkuse suunas. Lisaks materjali- ja kaalukaole on uued lahendused ka tunduvalt innovaatilisemad. Märksõnadeks ikka säästlikkus, kergus, paindlikkus ja energiatootmine.
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.
Marit Kauk-Kuusik: „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 ja tema tootmine on oluliselt vähem ressursimahukas“.
Keskkonnasäästlik energiatootmine on rohepöörde ja kestliku tarbimise valguses muutumas möödapääsmatuks. Üha enam on energiatootmise võtmesõnaks saamas taastuvenergeetika, kus päikeseenergeetika on järjest jõulisemal positsioonil.
„Meie uurimuse tulemusel loodud päikesepatarei kasutegur on hetkeseisuga 6,4%, mis on pisut suurem kui maailma esimesel, ränibaasil loodud patareil aastakümneid tagasi. Seega on tegemist lootustandva tulemusega“, arvab Kauk-Kuusik. Samuti on ta kindel, et erinevalt sellest leiutisest ei pea enam kõrgemate kasutegurite saavutamiseks minema 30-40 aastat, nagu oli räniühendi puhul, vaid teadus saab hakkama tunduvalt lühem ajaga.
Allikas Solar Energy „The effect of S/Se ratio on the properties of Cu2CdGe(SxSe1−x)4 microcrystalline powders for photovoltaic applications”, 10.2020
Lisainfo: TalTechi päikeseenergeetika materjalide teaduslabori vanemteadur Marit Kauk-Kuusik, marit.kauk-kuusik@taltech.ee
Kersti Vähi, TalTechi teadusosakond