Auringosta tulee joka tunti Maahan enemmän energiaa kuin koko ihmiskunta kuluttaa vuodessa.
Jos auringon uusiutuvaa energiaa saadaan tehokkaasti talteen, voidaan tulevaisuudessa merkittävä osa sähkönkulutuksesta kattaa aurinkoenergialla.
Aurinkokennon hyötysuhteella tarkoitetaan sitä auringonvalon energiamäärää, jonka aurinkokenno pystyy muuttamaan sähköksi. Jos siis tietyn aurinkokennon hyötysuhde on 25 prosenttia, neljännes kaikesta kennoon osuvasta auringon energiasta voidaan muuttaa sähköksi.
Tätä kirjoitettaessa tehokkaimmat aurinkokennot pystyvät muuntamaan 23 prosenttia auringonvalosta käyttökelpoiseksi sähköksi. Ihanteellisissa sää- ja tuuliolosuhteissa hyötysuhde on jopa 29 prosenttia, mutta keskimääräinen aurinkokennojen hyötysuhde on 15–20 prosenttia.
Nyt kiinalaiset ja japanilaiset tutkijat ovat kertoneet tehneensä merkittäviä läpimurtoja aurinkokennojen tehokkuuden kasvattamisessa.
Syynä hyötysuhteen huimaan kasvuun on ”ihmeaine”, joka tutkijoiden mukaan pystyy muuttamaan perinteisiä kennoja enemmän energiaa sähköksi. Lisäksi siitä on helpompaa ja halvempaa tuottaa aurinkopaneeleja kuin piistä.
Nanjingin yliopistossa tehdyn tutkimuksen mukaan perovskiitin ja piin yhdistelmä voisi nostaa aurinkokennon hyötysuhteen yli 30 prosenttiin. Tutkimuksessa esitetään optimistisia näkymiä jopa ”aurinkokennoista, joiden hyötysuhde on selvästi yli 35 prosenttia”. Ne voisivat jouduttaa huomattavasti maailmanlaajuisia pyrkimyksiä siirtyä uusiutuvaan energiaan.
”Hyötysuhteen kasvu antaa viitteitä siitä, että tehokkaat ja edulliset aurinkokennot voidaan tuoda markkinoille pian”, sanoo tutkija Tan Hairen, joka on Nanjingin yliopiston insinööritieteiden ja sovellettujen tieteiden professori.
Edullinen kaksikerroksinen aurinkokenno
Maailmanlaajuinen pula piistä on saanut tutkijat ympäri maailmaa kokeilemaan vaihtoehtoisia materiaaleja aurinkokennojen valmistuksessa.
Perovskiitti on mineraali, jolla on ainutlaatuiset optiset ja elektroniset ominaisuudet, joten se soveltuu hyvin aurinkokennoihin.
Kiinalaiset ja japanilaiset tutkijat ovat testanneet perovskiittikerroksen lisäämistä aurinkokennojen piikerroksen päälle, ja tämän kerrosrakenteen on osoitettu parantavan hyötysuhdetta merkittävästi.
Kerrosrakenteinen kenno toimii siten, että perovskiittikerros absorboi lyhytaaltoista auringonvaloa, kun taas piikerros imee pitkäaaltoista valoa.
Kerrosrakenne lisää aurinkokennon kykyä imeä energiaa, jolloin aurinkoenergiasta tulee käytössä entistä edullisempaa ja aurinkopaneelit yleistyvät aiempaa nopeammin.
Vaikka kerrosrakenteisissa kennoissa edelleenkin on kallista piitä, sitä tarvitaan vähemmän kuin ennen. Koska rakenne nostaa aurinkopaneelien hyötysuhdetta, tarvitaan aiempaa vähemmän kennoja ja piitä tuottamaan sama määrä sähköä.
Tulevaisuuden aurinkopaneelit
- Perovskiitti-mineraalia löytyi vuonna 1839 Uralvuoristosta Venäjältä.
- Alkujaan perovskiitiksi kutsuttiin vain luonnossa esiintyvää kalsiumtitanaattia. Nykyisin perovskiitilla tarkoitetaan luonnossa esiintyviä ja ihmisen tekemiä synteettisiä mineraaleja, joilla on samanlainen kiderakenne kuin luonnon perovskiitilla. Uudet aurinkopaneelit tehdään synteettisestä perovskiitista.
- Perovskiittikennojen korkea hyötysuhde, edullinen hinta ja vähäiset ympäristövaikutukset avaavat hyvät mahdollisuudet tehokkaaseen ja edulliseen aurinkoenergian hyödyntämiseen.
- Perovskiitin kiderakenne imee valoa paremmin kuin perinteiset piistä valmistetut aurinkokennot.
- Perovskiitista valmistetut aurinkopaneelit käyttävät hyödyksi myös auringon säteilyn ultravioletti- ja infrapuna-alueita.
- Perovskiittikalvolla päällystetyt paneelit ovat kevyitä ja taipuisia, ja ne voidaan kiinnittää kattoihin, seiniin ja autoihin. Ohuita paneeleja voidaan asentaa myös rakennusten sisälle, joilloin siellä voidaan hyödyntää luonnonvaloa ja kierrättää keinovaloa.
- Perovskiitti on myös suprajohde, eli tietyissä olosuhteissa se johtaa sähköä häviöttömästi.
- Uusissa perovskiitti-piikennoissa on korkea hyötysuhde, ja niitä voidaan asentaa hyvin monille pinnoille.
- Kerrosrakenteisissa aurinkokennoissa avoimen piirin jännite on aiempia kennorakenteita korkeampi.
Toinen tutkija, professori Tan Hairen, on vakuuttunut siitä, että perovskiitista ja piistä valmistetut kerrosaurinkokennot raivaavat pian tietä erittäin tehokkaiden ja edullisten aurinkokennojen tuotannolle.
”Perovskiittikennojen valmistuksessa käytettävät raaka-aineet ovat halpoja ja niitä on hyvin saatavilla, joten kennojen tuotantokustannukset ovat vain kahdeskymmenesosa perinteisten kennojen kustannuksista. Lisäksi kerroskennoja on helpompi valmistaa ja niitä voidaan tuottaa yhdessä tehtaassa”, Tan Hairen sanoo.
Odotukset ovat korkealla
Perovskiitti ei ole uusi asia.
Vuonna 2017 Utahin yliopiston materiaalitieteen professori Zeev Valy Vardeny kuvaili perovskiittia ”uskomattomaksi ihmeaineeksi” sen jälkeen, kun aine oli osoittanut merkkejä siitä, että se parantaa aurinkokennojen hyötysuhdetta.
Perovskiitin tarjoamat mahdollisuudet aurinkokennoissa ovat siis olleet aiemmin tiedossa, mutta uusi tutkimus on ensimmäinen todiste siitä, että kaikki toimii.
Perovskiittiaurinkokennoihin kohdistuvat odotukset ovat siis korkealla, ja kysymys kuuluukin nyt, lunastaako perovskiitti lupaukset vuosien hypetyksestä.
Ensi vaiheessa tutkijat yrittävät löytää oikeat mittasuhteet toimiviin malleihin. Vaikka senttimetrin levyiset aurinkokennot toimivat hyvin laboratoriossa, aurinkokennojen koko on yleensä noin 15 neliösenttimetriä, eli ne ovat huomattavasti suurempia.