Milleks meile uued päikesepaneelitehnoloogiad?

Keskkonnasõbralikkuse seisukohalt on suurte tootmismahtude juures tehnoloogial tähtis osa kogu tootmistsüklis, algusest lõpuni.

MAARJA GROSSBERG

Sel aastal on Eestis päikeseparkide rajamine kulgenud eriti hoogsalt, kuna on saada veel osa taastuvenergia toetusest. Päikeseenergia abil elektri tootmine on juba tavapärane viis keskkonnasõbralikult oma majapidamist elektrienergiaga varustada ning ökoloogilist jalajälge vähendada, ühtlasi on tagatud stabiilsus elektri hinnas, mis fossiilsetest kütustest toodetuna on püsivas kasvutrendis. Mitmetes riikides on nn päikeseelekter võrreldes muudest allikatest pärit elektriga juba kõige odavam. Päikeseelektri tootmist soosib ka Euroopa Komisjoni energiapoliitika, kus vesinikutehnoloogiad on tõstetud tähelepanu ja tegevuse keskpunkti. Keskkonnasõbraliku nn rohelise vesiniku tootmiseks on parimaid lahendusi päikeseelektri kasutamine elektrolüüsiks.

Teada-tuttavad räni päikesepaneelid

Päikeseenergiast elektrienergia tootmine on üks keskkonnasõbralikumaid. Eesmärk on suurendada tootmismahte teravati suurusjärguni ja selleks töötabki teadlaskond välja uudseid tehnoloogiaid ja materjale, mis avaksid tee uudsetele rakendustele. Nagu igas valdkonnas, on eesmärk välja arendada midagi uut, millel oleks võrreldes olemasolevaga lisaväärtus. Päikeseenergeetika valdkonnas on teadus- ja arendustegevus keskendatud päikeseenergia elektrienergiaks muundamise efektiivsusele, keskkonnasõbralikumatele materjalidele ja tehnoloogiatele ning uutele rakendustele. Rakendusliku külje pealt pööratakse järjest rohkem tähelepanu paneelide sobivusele meie elukeskkonda, juba on välja töötatud või väljatöötamisel ehitisintegreeritud päikesepaneelide tehnoloogiad. Päikesepaneeli efektiivsus ja kasutatava tehnoloogia keskkonnasõbralikkus sõltuvad valdavalt kasutatavatest materjalidest, kõige rohkem absorbermaterjalist, mis on päikeseelemendi põhikomponent. Nagu ehitusmaterjalina, saab ka absorbermaterjalina kasutada mitmesuguseid materjale. Mille põhjal valik tehakse ja milliseid kompromisse teadus- ja arendustöös teha tuleb?

Sobivate elektroonsete ja optiliste omadustega pooljuhtmaterjale, mida saaks kasutada päikeseelemendis absorbermaterjalina, on sadu. Esimene materjal, mis oma sobivust selleks tõestas, oli seleen. Koos transistoride arendamisega tõusis tähelepanu keskmesse räni, millel põhinevat päikeseelementi efektiivsusega 6% olid Belli labori teadlased demonstreerinud juba 1954. aastal. Räni päikesepaneele nimetatakse esimese põlvkonna päikesepaneelideks ja need on meile kõigile kättesaadavad. Mahuka teadus- ja arendustöö tulemusena on jõutud ka teoreetilisele lähedase efektiivsuseni ja paneelide märkimisväärse elueani, võimaldades meil kord paigaldatud räni päikesepaneelide abil paarkümmend aastat muretult päikeseelektrit toota ja kasutada. Ka valik ränil põhinevaid ehitisintegreeritud päikesepaneele on juba turul. Kõik on ju justkui olemas. Miks siiski olemasolevaid ränitehnoloogiaid vägagi aktiivselt edasi arendatakse ja teadlaskond veel suuremate jõududega täiesti uutel materjalidel põhinevaid tehnoloogiaid välja töötab?

Siinkohal võib tuua paralleeli autotööstusega. Autod viivad ju meid kenasti punktist A punkti B, olgu siis tegemist taskukohasema või kallima sõiduvahendiga. Meie soov on võimalikult väikeste kuludega ja võimalikult kiiresti saada punktist A punkti B ning sealjuures mitte reostada ümbritsevat elukeskkonda. Ka esteetiline pool ei ole tähtsusetu. Seepärast panustab autotööstus tohutuid summasid uute automudelite ja tehnoloogiate arendusse, viimastel aastatel jõudsalt kasvava trendina elektri- ja vesinikuautodesse. Jah, mainitud tehnoloogilised lahendused ei reosta ümbritsevat keskkonda, kui neid rakendatakse, kuid suurte tootmismahtude juures on tehnoloogial keskkonnasõbralikkuse seisukohalt suur osa kogu tootmistsüklis, algusest lõpuni. Siin on teadlastel veel palju tööd teha ja meid rõõmustab, et ka Eesti teadlased osalevad aktiivselt.

Uuem põlvkond – õhukese-kilelised päikesepaneelid

Ülal kirjeldatu kehtib ka päikeseenergeetika valdkonna kohta. Praeguseks levinud esimese põlvkonna räni-päikesepaneelide kõrvale on vaja uusi tehnoloogiaid, mis võimaldaksid vähendada energia- ja ressursikulu päikesepaneelide tootmisel ning kõrvaldada toksilisi vaheetappe, muutes paneelide tootmistsüklit keskkonnasõbralikumaks. Selle eesmärgiga arendatakse viimased paarkümmend aastat nn teise põlvkonna päikesepaneele, mida nimetatakse ka õhukesekilelisteks päikesepaneelideks. Absorbermaterjalina kasutatakse neis mitme komponendiga pooljuhtmaterjale, mille päikesekiirguse neelamisvõime on nii hea, et võrreldes räniga võimaldab kasutada sadu kordi õhemaid materjalikihte. Siit ka nimetus õhukesekilelised päikesepaneelid. Just õhukesekileliste päikesepaneelide tehnoloogiad võimaldavad tänu päikeseelementide kergusele, painduvusele ja ka võimalikule poolläbipaistvusele väga erinevaid ehitisintegreeritud rakendusi. Kõige kaugemale on tootearenduses jõutud GaAs-, Cu(In,Ga)Se2- ja CdTe-tehnoloogiaga, viimasel baseeruvad õhukesekilelised päikesepaneelid on oma tootmismahult räni järel maailmas teisel kohal.

Kõlab paljulubavalt, ometi tähendab see vaid paari protsenti kogu maailma päikesepaneelide toodangust, sest ränipaneelid moodustavad umbes 95% kogu tootmisest.

Miks siis õhukesekileliste päikesepaneelide tehnoloogiad ei ole ränitehnoloogiate kõrval konkurentsivõimelised? GaAs-päikeseelementide efektiivsus ulatub 30 protsendini, mis on kõrgem kui monokristalsel ränil baseeruvatel päikeseelementidel, mille maksimaalne efektiivsus küünib 26 protsendini. GaAs-tehnoloogia on aga väga aeglane ja kallis, mistõttu sellele kosmosetehnoloogia rakenduste kõrval laialdast kasutust ette ei ole näha. CdTe ja Cu(In,Ga)Se2 õhukesekileliste päikeseelementide efektiivsus ei jää ränipaneelidele palju alla, olles 22–23% juures. Samuti on nende tootmine ressursi- ja energiakulu poolest odavam. On kindlaks tehtud, et nimetatud õhukesekileliste päikesepaneelide tehnoloogiate süsiniku jalajälg on võrreldes monokristalse räni tehnoloogiaga kuni viis korda väiksem. Vastus küsimusele konkurentsivõime kohta peitub aga kasutatavate materjalide koostises. Nimelt sisaldavad need kas mürgiseid elemente, nt kaadmium (Cd) ja telluur (Te), või elemente, millede varud maakoores pole sugugi piiramatud: telluur, indium (In) ja gallium (Ga).

Tallinna tehnikaülikoolis uuritakse kesteriite

Meie Tallinna tehnikaülikooli materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudi teadusrühm arendab uue põlvkonna keskkonnasõbralikke õhukesekileliste päikesepaneelide tehnoloogiaid, mis põhinevad materjalidel, mis koosnevad laialt levinud, odavatest ja mitte­mürgistest elementidest. Rakenduslik suund on sealjuures võetud ehitisintegreeritud päikesepaneelidele.

Üheks materjaliks, millega meie teadlased tegelevad, on maailmas arendatavatest keskkonnasõbralikest absorbermaterjalidest kõige suuremat potentsiaali näidanud kesteriidid. Kesteriidid on ühendpooljuhtmaterjalid, mis koosnevad laialt levinud odavatest elementidest vask, tsink, tina ja väävel (ja/või seleen) ehk siis ühendina Cu2ZnSn(S,Se)4. Eesmärgiks seatud suurte tootmismahtude korral ei ole ohtu, et kesteriidis sisalduvad elemendid on saja aasta pärast otsas, vajavad neid ju ka teised valdkonnad. Tallinna tehnikaülikoolis kasutame kesteriidi valmistamiseks maailmas ainulaadset monoterapulber-tehnoloogiat, mis võimaldab sünteesida kesteriiti kõrge kvaliteediga mikrokristalse pulbri kujul. Suures päikesepaneelis moodustavad absorbermaterjali mikrokristallid üliõhukese puhverkihiga kaetuna igaüks väikese päikesepatarei, mis omavahel on paralleelühenduses ning mille vahel on paneelis valgust läbilaskev polümeerikiht. Selline tehnoloogia võimaldab teha väga erinevas suuruses, eri kujuga, kergeid, painduvaid ning soovi korral ka poolläbipaistvaid päikesepaneele, mis võrreldes klassikaliste räni-päikesepaneelidega pakuvad lisavõimalusi ehitis­elementidega ühendamiseks. Suurepärane, kas pole? Miks me siis neid veel poest osta ei saa? Vastus on lihtne: kesteriitidel põhinevate päikeseelementide efektiivsus ei ole nii suur, et pakkuda konkurentsi olemasolevatele õhukesekilelistele päikesepaneelidele.

Oleme kindlaks teinud, et kesteriitidel põhinevate päikeseelementide madala efektiivsuse taga on suured rekombinatsioonilised kaod – eri teid pidi kaotame liiga palju päikesekiirguse abil päikeseelemendis tekitatud voolu ja ka pinget. Põhiliselt on selles süüdi absorber­materjalis olevad defektid – vead materjali korrapärases kristallstruktuuris. Lihtsalt seletatuna: osa aatomeid ei asetse kristallstruktuuris oma õigel kohal ning on seetõttu võimelised valgusega tekitatud laengukandjaid endale haarama nii, et need ei jõua vooluringi. Defekte esineb igas materjalis ja õnneks ei avalda nad kõik päikeseelemendi tööle kahjulikku mõju. Teadlaste ülesanne ongi kindlaks teha, millised defektid on kahjulikud ning seejärel kohandada materjali valmistamise tehnoloogiat nii, et ebasobivaid defekte ei tekiks. Mõeldes kesteriidi kui vähemalt neljast elemendist koosneva materjali peale, siis defekte võib seal olla väga suur hulk ja nende tekke juhtimine on võrdlemisi keeruline ülesanne. Selle ülesande lahendamisega tehnikaülikooli teadlased tegelevadki.

Sealjuures tuleb iga tehnoloogia väljatöötamisel teha nii mõnigi kompromiss. Näiteks kesteriidi defektstruktuuri teadlikul kujundamisel seisame küsimuse ees, kas suurema efektiivsuse nimel peaksime viima materjali sisse väikeses koguses kalleid või mürgiseid lisa­elemente, kui need võimaldavad oluliselt suurendada päikeseelemendi efektiivsust. Hiljuti näitasime, et viies kesteriiti üliväikese koguse hõbedat, on võimalik kesteriidil põhineva monoterakiht päikeseelemendi efektiivsust tõsta lausa 2% võrra. Hõbe pole just odav element, vähemalt mitte mürgine. Samuti on näidatud mürgise kaadmiumi sarnast positiivset mõju efektiivsusele. Küsimus ei ole laborikatsetes üliväikeste koguste kasutamises, vaid suuremahulises tööstuses. Kas see on mõistlik? Teadlaste ülesanne peaks siiski olema leida üleskerkinud probleemile kõikvõimalikud lahendused ehk siis antud juhul on meie ülesandeks leida kesteriitses päikeseelemendis viisid rekombinatsiooniliste kadude vähendamiseks. Iga leitud lahendus võib juhatada järgmise lahenduse juurde, mis võib olla juba sobivam laiaulatuslikuks kasutamiseks. On selge, et kõik leitud lahendused ei realiseeru hiljem tehnoloogia tööstuslikus rakenduses. Eks see on nii kõigi tehnoloogiate arendusega.

Teine tulevikumaterjal – perovskiit

Hoides pöialt kesteriidile, tooksin esile veel ühe uue päikeseelemendi absorbermaterjalide grupi, millele maailm on pannud suuri lootusi. Selleks on perovskiidid, mis ilmusid tähelepanu keskmesse alles mõne aasta eest ja sööstsid väga lühikese ajaga ränipaneelidega saavutatud maksimaalse efektiivsuseni. Perovskiiti, mis nagu kesteriitki on saanud oma nimetuse teatud tüüpi kristallistruktuuri järgi, saab valmistada odavate keemiliste lahusest sadestamise meetoditega, mis võimaldaksid toota väga odavaid õhukesekilelisi päikesepaneele. Perovksiidi puhul on teadlastel lahendada kaks probleemi. Esiteks on sel organometalsel materjalil suur stabiilsuse probleem, mistõttu sellel põhinevate päikeseelementide eluiga on sel aastal suudetud viia vaid kuni kahe aastani. Teiseks on suur efektiivsus saavutatud esialgu vaid mürgist pliid sisaldavate perovskiitidega. Teadlased arendavad küll aktiivselt alternatiivseid mittemürgistel perovskiitidel põhinevaid päikeseelemente, kuid nende efektiivsus on seni palju väiksem.

Nii kesteriidid kui perovskiidid sobivad oma omadustelt ka tandem-päikesepatareidesse, mis on ehitisintegreeritud päikeseelementide tehnoloogiate väljatöötamise kõrval teine tulevikusuund. Tandem-päikeseelemendis kombineeritakse omavahel kaks erinevat absorbermaterjali, et ära kasutada suurem osa päikesekiirguse spektrist, suurendades niimoodi päikeseelementide efektiivsust võrrelduna ühel absorbermaterjalil baseeruva päikeseelemendiga. Praktikas tähendab see, et järgides säästlikku ruumikasutust on sama võimsus võimalik kätte saada palju väiksema pindalaga päikesepaneelidelt. Kui jällegi mõelda autotööstuse tulevikule, siis tandem-päikese­elementide abil võiksid päikeseelektril töötavad autod vesiniku- ja elektriautodele täiesti konkurentsi pakkuda. Praegu saadaolevad lahendused on pigem nišitooted.

Lõpetuseks vastan püstitatud küsimusele, kas meil on vaja uusi materjale ning päikeseelementide tehnoloogiaid. Vastus on: jah, muidugi on vaja. Seda selleks et suurendada päikeseenergiast kui universaalsest ammendamatust energiaallikast elektritootmise mahtusid, kasutades olemasolevatega võrreldes veelgi efektiivsemaid, keskkonnasõbralikumaid ja laialdasemate rakendusvõimalustega päikesepaneelide tehnoloogiaid.

Maarja Grossberg on Tallinna tehnikaülikooli professor, L’Oréali-UNESCO stipendiumi ,,Naised teaduses“ 2020 laureaat, Eesti Noorte Teaduste Akadeemia liige.