Aurinkoenergia, kolmanneksi suurin uusiutuva energialähde vesi- ja tuulivoiman jälkeen, on noussut puhtaaksi, kestäväksi ja tehokkaaksi vaihtoehdoksi fossiilisille polttoaineille. Maahan osuva auringonvalo on yli 10 000 kertaa suurempi kuin maailman kokonaisenergiankulutus, ja teknologiat, joilla pyritään keräämään mahdollisimman paljon aurinkoenergiaa, kehittyvät nopeasti. Bell Laboratoriesin vuonna 1954 luomista ensimmäisistä kaupallisista pii-aurinkopaneeleista lähtien yleisimmissä tekniikoissa käytetään nykyään erilaisia piipohjaisia aurinkokennoja, ja ne muuttavat jopa 20 prosenttia auringonvalosta sähköksi.
IEA:n markkina-analyysin mukaan aurinkosähköenergian (PV) tuotanto – eli auringonvalon muuntaminen sähköksi – on noussut 720 TWh:iin vuonna 2019 vuoden 2018 585 TWh:sta vuonna 2018, ja sen odotetaan kasvavan jopa 1 940 TWh:iin vuoteen 2025 mennessä. Aurinkoenergian tämänhetkinen maailmanlaajuinen maksimikapasiteetti on 592 GW, ja sen osuus maailmanlaajuisesta sähköntuotannosta on 2,2 %.
- Mitkä ovat nykyisiä ja tulevia innovatiivisia materiaaleja?
- Kiteinen pii
- Ohutkalvot
- Perovskiittiaurinkokennot
- Mitkä ovat läpimurtokykyisiä integroivia aurinkokennotekniikoita?
- Jos sinulla on kysyttävää tai haluat tietää, voimmeko auttaa yritystäsi innovaatiohaasteissa, ota yhteyttä täällä tai lähetä sähköpostia osoitteeseen [email protected].
Mitkä ovat nykyisiä ja tulevia innovatiivisia materiaaleja?
Tyypillinen aurinkokenno koostuu puolijohdemateriaaleista, kuten p- ja n-tyypin piistä, jossa on ulkoiseen virtapiiriin kytketty kerroksellinen p-n-liitos. Paneeleihin kohdistuva auringonvalon valaistus aiheuttaa elektronien irtoamisen piistä. Sisäisen sähkökentän vaikutuksesta sinkoutuneet elektronit luovat virtauksen p-n-liitoksen ja ulkoisen piirin läpi, jolloin syntyy virta (sähkö). Markkinat kasvavat nopeasti ja luovia sovelluksia kehitetään, joten innovatiivisten aurinkoenergiamateriaalien T&K-toiminta on huipussaan, jotta aurinkoenergiasta saatava hyötysuhde olisi mahdollisimman suuri ja kustannukset alhaiset. Kolme nykyisin paljon tutkittua puolijohdemateriaalia ovat kiteinen pii, ohutkalvot ja seuraavan sukupolven perovskiittiaurinkokennot (PSC).
Kiteinen pii
Kiteinen pii (c-Si) on aurinkopaneeleissa käytetyin puolijohdemateriaali, ja sen osuus maailmanlaajuisista aurinkopaneelimarkkinoista on yli 90 %, vaikka hyötysuhde jääkin huomattavasti alle teoreettisen rajan (~30 %). Vaihtoehtoisista edullisista ja korkean hyötysuhteen materiaaleista valmistettuja aurinkokennoja on syntymässä.
National Renewable Energy Laboratory (NREL) edistää korkean hyötysuhteen kiteisten aurinkokennojen kehittämistä, johon kuuluu III-V-moniliitosmateriaaleja (tavoitehyötysuhde >30 %) ja hybridejä III-V/Si-tandem-aurinkokennoja. Heidän kuuden liitoksen III-V-aurinkokennoissaan on saavutettu 47,1 prosentin hyötysuhde keskitetyssä valossa. Lisäksi Si-pohjainen bifacial-teknologia voi kerätä aurinkoenergiaa paneelin molemmilta puolilta, ja sen hyötysuhde on 11 % suurempi kuin tavallisten paneelien.
Ohutkalvot
Toisen sukupolven ohutkalvoaurinkokennot ovat näyttäytymässä yhtenä lupaavimmista aurinkosähköteknologioista niiden kapean rakenteen (350 kertaa pienemmät valoa absorboivat kerrokset verrattuna tavallisiin Si-paneeleihin), keveyden, joustavuuden ja asennuksen helppouden vuoksi. Niiden rakentamisessa käytetään tyypillisesti neljää eri materiaalia: kadmium-telluridia (CdTe), amorfista piitä, kupari-indium-gallium-selenidiä (CIGS) ja gallium-arsenidia (GaAs). CdTe:n myrkyllisyyteen liittyy kadmiumin vuoksi huoli, mutta CIGS-aurinkokennot ovat osoittautumassa lupaavammiksi korkean hyötysuhteen ja taloudellisuuden vaihtoehdoiksi sekä asuin- että kaupallisiin laitteistoihin, sillä niiden hyötysuhde on jopa 21 %.
Ascent Solar on yksi huipputehokkaiden CIGS-moduulien valmistuksen johtavista toimijoista, ja sen superkevyttä ja äärimmäistä CIGS-teknologiaa käytetään avaruusalalla, ilmailu- ja avaruusalalla, valtionhallinnossa ja julkisella sektorilla.
Perovskiittiaurinkokennot
Neuimman sukupolven aurinkokennoista hybridimetallihalidi-perovskiittiaurinkokennot (PSC) ovat saaneet paljon huomiota alhaisen hintansa, ohuemman rakenteensa, matalan lämpötilan prosessoinnin ja erinomaisten valonabsorptio-ominaisuuksiensa (hyvä suorituskyky matalassa ja hajavalossa) vuoksi. PSC-kennot voivat olla joustavia, kevyitä ja puoliksi läpinäkyviä. Perovskiitti-ohutkalvoja voidaan myös tulostaa, mikä johtaa skaalautuvaan, korkean läpimenon tuotantoon, ja äskettäin rullalta rullalle tulostettu PSC on saavuttanut 12,2 prosentin hyötysuhteen, joka on korkein tulostettujen PSC:iden joukossa.
Erityisesti yhdistetyt perovskiitti- ja Si-PV-materiaalit ovat saavuttaneet laboratorio-olosuhteissa jopa 28 prosentin hyötysuhteen, kuten Oxford PV on osoittanut. Vaikka vakaus ja kestävyys ovat edelleen olleet suuri huolenaihe, viimeaikainen edullinen polymeeri-lasipinon kapselointijärjestelmä on mahdollistanut sen, että PSC:t kestävät tavanomaiset käyttöolosuhteet. Vaikka PSC-kennoja ei ole vielä kaupallistettu, niillä on merkittäviä taloudellisia ja tehokkuuteen liittyviä etuja, jotka voivat edistää aurinkoenergiamarkkinoiden tulevaisuutta.
Mitkä ovat läpimurtokykyisiä integroivia aurinkokennotekniikoita?
Unovatiivisten materiaalien lisäksi on syntymässä luovia menetelmiä maksimaalisen aurinkoenergian keräämiseksi. Esimerkiksi sveitsiläinen startup-yritys Insolight käyttää integroituja linssejä optisina vahvistimina paneelien suojalasissa keskittääkseen valonsäteet 200-kertaisesti ja saavuttaakseen 30 prosentin hyötysuhteen.
Toinen viimeaikainen kehitysaskel on lämpösäteilevien aurinkosähkölaitteiden eli käänteisten aurinkopaneelien prototyyppien suunnittelu, jotka voivat tuottaa sähköä yöllä hyödyntämällä paneeleista säteilevää lämpöä optisesti kytkettyyn syvään tilaan, joka toimii lämpönieluna.
Innostavaa on, että innovatiivisten materiaalien ohella myös muut integroivat sovellukset kuin tavanomaiset kattoasennukset ovat yleistymässä, ja ne ovat tällä hetkellä alkutekijöissään. Esimerkiksi aurinkotislauksella voidaan kerätä aurinkoenergiaa ja samalla hyödyntää paneeleista haihtuvaa lämpöä veden puhdistamiseen, jos käytössä on integroitu kalvotislauslisälaite.
Toinen tulevaisuuden mullistava teknologia voivat olla aurinkomaalit, joihin kuuluvat aurinkomaalivety (tuottaa energiaa aurinkosähköisestä veden halkaisusta), kvanttipisteet (aurinkomaali) ja perovskiittipohjaiset maalit.
Lisäksi läpinäkyvät aurinkoikkunat ovat erittäin innovatiivisia sovelluksia, ja Ubiquitous Energy on saavuttanut läpinäkyvillä materiaaleillaan 10 %:n hyötysuhteen auringon muuntamisessa sähköksi. Tämän tekniikan edelläkävijän Michiganin osavaltionyliopiston demonstraatio on nähtävissä tällä videolla:
Kustannuksiltaan edullisten ja suorituskykyisten puolijohdemateriaalien, tilaa säästävien ohuiden kalvojen ja helposti asennettavien tekniikoiden nopean kehityksen myötä aurinkoenergiamarkkinoiden odotetaan kukoistavan seuraavien viiden vuoden aikana. Pandemian aiheuttamasta takaiskusta huolimatta aurinkoasennusten kustannusten odotettu 15-35 prosentin lasku vuoteen 2024 mennessä on rohkaisevaa ja voi tehdä tästä uusiutuvasta energiasta entistä edullisemman.